Анфилов Г.Б., Искусственное Солнце

Глеб Борисович Анфилов
Искусственное Солнце
ABBYY FineReader 11
«Искусственное Солнце»: Детгиз; Москва; 1959
РИСУНКИ Б.КЫШТЫМОВА
Государственное Издательство
ДЕТСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Министерство Просвещения РСФСР
МОСКВА 1 9 5 9
От автора
Мы давно привыкли к искусственному шелку, искусственной коже, искусственной
шерсти. Нас не удивишь искусственными реками, озерами и целыми морями, даже
искусственным дождем или снегом. За каких-нибудь несколько месяцев мы освоились с
искусственными лунами, обегающими Землю, с искусственной планетой — первой
ласточкой легендарных космических полетов. Казалось бы, здесь вершина технической
мысли. Куда уж дальше!
Но ученые нам говорят: на очереди искусственное солнце! И это выглядит, пожалуй,
слишком дерзко. Неужели возможно что-то подобное?
Да, наука наших дней, наука второй половины XX века, видит перед собой эту
грандиозную цель. Люди задумали сделать своими руками маленькое солнце на земле.
Сегодня это, бесспорно, один из самых смелых замыслов технического творчества человека.
О том, какой длинный и полный сложнейших препятствий путь привел к
возникновению идеи искусственного солнца, о том, как она может быть воплощена в жизнь,
и о некоторых других проблемах современной физики рассказывается на страницах этой
книги.
1. ВЕКОВАЯ ЗАГАДКА
Желтый карлик. Полстолетия назад. Небесный костер. Обстрел камнями.
Падение на себя. Физика в тупике.
2. СВЕТ И МИР
В тылу науки. Копья а вспышки. На что похож свет. Идеи Альберта Эйнштейна.
Хор светил. Резиновые минуты. Вещество и энергия. Солнце не чудо .
3. В НЕДРАХ НЕДР
Вездесущие атомы. Электронная свита. Балласт в веществе. «Спящее» ядро . Две
задачи. Борьба сил. Ядерная энергия.
4. ПРОБУЖДЕНИЕ ЯДРА
Вниз по лестнице. Через ступеньки. Секрет урана. Гибель городов. Управление
стихией. Дрова в золе. Заря грядущего.
1. ВЕКОВАЯ ЗАГАДКА
ЖЕЛТЫЙ КАРЛИК
Что может быть величественнее, грандиознее Солнца! Земля рядом с ним — как
горошина возле арбуза. Оно непрерывно излучает поток энергии мощностью в пятьсот
миллиардов миллиардов лошадиных сил. Уму непостижимая цифра! Никакого сравнения к
ней не подберешь.
А вот астрономы дали Солнцу более чем скромное название— «желтый карлик».
Как-то обидно за великое светило.
Когда человечество было в колыбели, Солнце казалось людям могущественным
божеством, порой добрым, порой неумолимо грозным. «Владыка пищи, отец и мать людей»
— так называли его древние египтяне и строили в его честь храмы, приносили ему дорогие
жертвы.
Культ светила кое-где жив и поныне. Вспомните хотя бы «Гимн Солнцу», донесенный
до нас дивным голосом Иммы Сумак, в недавнем прошлом—жрицы перуанских
солнцепоклонников.
Сохранился памятник старины, на котором солнечные лучи изображены в виде
длинных рук, творящих все сущее на Земле. Какой точный образ! Ведь именно Солнце
создало чудесный пейзаж, окружающий нас на родной планете, сотворило жизнь и самих
людей.
Дует ветер, перенося облака и поднимая вихри пыли, текут реки, наполняя моря и
озера, от океанов и луж поднимается пар, сгущается в тучи, влага обрушивается на землю
дождем и снегом — все это делает Солнце.
В зеленом листе строятся, потребляя энергию света, молекулы органических
соединений. Птица поклевала растительных зерен и набралась сил, чтобы лететь. Зверь
схватил птицу, насытился добычей и побежал по лесу. Это опять работа Солнца.
Человек убил зверя, зажарил мясо и накормил семью. Или приручил зверя, заставил его
трудиться на себя — тянуть соху, везти телегу, давать молоко. Здесь снова трудится
преображенная солнечная энергия.
Мы все — дети великого лучезарного творца. Как не признать его богом! И вдруг
«желтый карлик»!
Впрочем, солнечный луч, родивший людей, родивший человеческий разум, сам же
отверг тем самым сказку о своей якобы сверхъестественной сущности.
Знание развенчало божество, сбросило с него ореол недосягаемой тайны.
Солнце — всего-навсего рядовой член одного из бесчисленных звездных скоплений—
Галактик, погруженных в беспредельные просторы Космоса. Оно ничем особенным не
отличается от своих собратьев и, более того, занимает среди звезд далеко не первое место.
Отсюда и название «карлик», данное астрономами с полным основанием. А почему
«желтый»? Сияние разных звезд неодинаково. Одни выглядят красноватыми, другие —
белыми, третьи— голубыми. От Солнца же к нам доходит желтый свет. Отсюда и
прилагательное в его звездном имени.
Итак, жизнь нам даровал желтый карлик.
Что же он собой представляет?
ПОЛСТОЛЕТИЯ НАЗАД
Перенесемся мысленно в конец прошлого века и отправимся на какую-нибудь
публичную лекцию о Солнце.
Вот на кафедру поднимается седовласый профессор. Он обстоятельно рассказывает об
успехах солнечной астрономии.
С гордостью за науку своего времени лектор прежде всего сообщает найденную
учеными величину расстояния от Земли до Солнца — 150 миллионов километров. Чтобы
найти его, не надо было тянуть к светилу рулетку. Дело свелось к решению несложной
геометрической задачи. Потребовалось лишь очень точно измерить углы, под которыми
видны Солнце и проходящая по его диску планета Венера из разных точек земного шара.
Колоссальную удаленность Солнца от Земли лектор иллюстрирует цитатой из
распространенной в ту пору научно-популярной книги профессора Юнга: «Представьте себе
ребенка с такой длинной рукой, что он мог бы коснуться Солнца. Вот он прикоснулся к
Солнцу и обжегся. Он успел бы скончаться к старости, прежде чем почувствовал боль, так
как нервное раздражение распространяется со скоростью около 30 метров в секунду».
Определив расстояние до Солнца, ученые сразу же решили вопрос о размерах
солнечного шара. Диаметр Солнца составляет 1400 тысяч километров. Значит, по своему
поперечнику Солнце в 109 раз больше Земли.
Зная расстояние до светила, его величину и оценив с помощью несложного опыта
количество энергии, которое оно посылает на квадратный сантиметр земной поверхности
отвесно падающими лучами, нетрудно подсчитать мощность излучения с каждого
квадратного сантиметра сверкающей солнечной оболочки. Оказалось, что он дает 6000 ватт.
Кусочек поверхности Солнца величиной в четыре страницы этой книжки испускает
энергии больше, чем вырабатывает первая атомная электростанция.
Не меньшим достижением науки оказалось «взвешивание» Солнца. Для этого не
понадобилось никаких весов, как изобразил на рисунке наш художник. Ведь Земля,
обращаясь вокруг светила, постоянно «падает» на него и не может упасть лишь потому, что
движется достаточно быстро. Каждую секунду наша планета отклоняется к Солнцу
примерно на 3 миллиметра. Отсюда, по закону тяготения, астрономы подсчитали силу
притяжения Солнцем Земли, а из полученного результата, учтя расстояние до светила,
вычислили величину притягивающей солнечной массы. 2,25 • 1027 тонн — вот сколько весит
Солнце! Оно в 329 400 раз тяжелее нашей планеты.
...Лекция продолжается. Профессор переходит к рассказу о поверхности светила. В
телескопы видно, что она словно кипит громадными пузырями — гранулами, выбрасывает
фонтаны раскаленных газов — протуберанцы, то там, то здесь покрывается вихрями, внутри
которых возникают обширные сравнительно темные области— «солнечные пятна»,
открытые еще Галилеем. Солнце предстает, как нечто бурное, раскаленное, клокочущее, с
поразительной щедростью расточающее свою энергию.
Много, очень много в ту пору знала наука о Солнце. Почти все то, о чем сегодня пишут
в популярных книжках, тогда уже в общих чертах было известно.
Но наконец речь заходит об источниках лучистой солнечной силы. И вот тут профессор
бессильно разводит руками.
— Милостивые государи, — восклицает он, — мы должны признать, что Солнце светит
вопреки здравому смыслу, вопреки законам природы! Это тайна, это величайшая загадка!
— Почему? — волнуются «милостивые государи», слушатели профессора. Им,
разумеется, обидно за вдруг объявившееся бессилие науки.
— Сегодня, — отвечает лектор,—мы не знаем процесса, который мог бы восполнить
убыль энергии, непрерывно уносимой с Солнца могучим потоком его лучей. Физика и химия
здесь складывают оружие. Не помогают никакие, даже самые, казалось бы, остроумные,
самые изобретательные гипотезы...
НЕБЕСНЫЙ КОСТЕР
Да, вопрос «Почему светит Солнце?» оказался безмерно трудным для науки.
На рисунке вы видите гравюру XVII века. Она изображает преисподнюю, которая, по
вдохновенной идее автора, размещается не где-нибудь под Землей, а внутри Солнца. В те
времена подобные воззрения, видимо, считались «новаторскими».
Но дело не в адресе преисподней. Вглядитесь в гравюру и обратите внимание на
наружные слои этого мистического Солнца. Видите, трепещут языки пламени? Здесь нашло
отражение первое из всех предположений об источниках энергии светила. Вначале так люди
и думали: Солнце просто-напросто горит, полыхает подобно гигантскому костру.
Возможно ли это?
Прежде всего автор гравюры, разумеется, не знал, что для горения необходимы
кислород и горючее. Кислород в обилии содержится лишь в земной атмосфере (и то
благодаря наличию жизни). В атмосфере Солнца этого газа нет. Допустим все же, что оно
каким-то непонятным образом непрерывно обогащается кислородом. Предположим еще, что
Солнце состоит из чистого углерода — самого калорийного из всех веществ. И даже при
этих ничем не оправданных допущениях гипотеза горения терпит крах.
Чтобы поддержать неизменным поток энергии светила, каждую секунду на Солнце
должно было бы сгорать 111/2 миллиардов тонн угля. И, учитывая вес самого Солнца,
нетрудно рассчитать, что такой небесный пожар угас бы в течение каких-нибудь 6000 лет. За
это время светило наверняка успело бы сгореть дотла, превратиться в сгусток холодной
золы. Ничтожный срок! Ведь история жизни на Земле, раскрытая геологией и
палеонтологией, свидетельствует о том, что Солнце освещает и согревает нашу планету не
менее миллиарда лет.
Нет, Солнце не горит в том смысле, какой мы привыкли придавать слову «горение».
Невозможно объяснить его лучеиспускание и любыми другими химическими реакциями,
сопровождающимися выделением тепла.
И естественно возникла идея: а не питается ли Солнце энергией извне, из окружающего
космического пространства?
ОБСТРЕЛ КАМНЯМИ
Мысль о том, что Солнце внутри пустое, что оно представляет собой какую-то твердую
оболочку сферической формы, довольно долго держалась даже в серьезной астрономии.. Так
думал, в частности, знаменитый английский ученый XVIII—XIX веков В. Гершель —
основоположник звездной астрономии. Кстати сказать, он предполагал существование
внутри Солнца... обитаемого мира, огражденного от раскаленных сверкающих небес
холодными облаками.
К подобным взглядам — правда, без домыслов о населенности солнечных
внутренностей —склонялись и некоторые другие астрономы. И это связано с широким
распространением так называемой метеоритной гипотезы солнечного нагрева.
Суть гипотезы такова: тонкая твердая «крыша» светила раскаляется под
бесчисленными ударами небесных камней, которые падают из глубин межпланетного
пространства.
Вспомните, как греется в пальцах гвоздь, забиваемый молотком в упрямо не
поддающуюся ему стену. От толчков метеоритов Солнце тоже обязательно должно
нагреваться. И для этого, вообще говоря, вовсе не нужно, чтобы светило состояло из твердой
сферы — оболочки. Каким бы ни было солнечное вещество, падающий небесный камень
тормозится в нем, расталкивает окружающие атомы и тем самым увеличивает энергию их
беспорядочного теплового движения., А средняя энергия этого движения, как известно, и
характеризует температуру вещества.
Гипотеза выглядела правдоподобно и приобрела немало сторонников.
Началась математическая обработка идеи.
И тут ученых опять постигло разочарование.
Даже если представить себе, что наш земной шар по какой-то причине вдруг
остановится и упадет на Солнце, энергия его падения поддержит солнечное лучеиспускание
всего на сто лет. Все же планеты, низвергнувшись на Солнце, продлят его жизнь на 46 тысяч
лет. Это все еще бесконечно мало по сравнению с действительной продолжительностью
жизни светила. Кроме того, мысль о падении планет нелепее, чем даже предположение об
угольно-кислородном Солнце. Планеты прочно удерживаются на своих орбитах, А обычных
небесных камней, которые, бесспорно, то и дело сыплются на Солнце, явно недостаточно.
Они не способны нагреть светило даже на одни градус в столетие.
Почва явно уходила из-под ног защитников «метеоритной» гипотезы. Но они не
сдавались. Если сейчас метеоритов недостаточно, говорили они, может быть, когда-то в
прошлом их было неизмеримо больше? Может быть, раньше Солнце раскалилось под их
ударами и теперь медленно остывает? Это тоже нереально. Солнце вовсе по думает
остывать. Оно светит и греет постоянно. К тому же метеоритный обстрел, если бы он когдато и был и тысячи раз сильнее, наверняка наложил бы свой отпечаток на земную
геологическую историю. А такого отпечатка нет и в помине.
Итак, метеоритная гипотеза гибнет.
Опять годы раздумий, прикидок, кропотливая разведка природных явлений, способных
приподнять завесу над тайной солнечного жара. Десятки гипотез опровергаются, едва
появившись на свет. Все чаще раздаются унылые голоса о непознаваемости Солнца, о якобы
божественном, сверхъестественном источнике его лучистой силы.
Однако в 1853 году немецкий естествоиспытатель Г. Гельмгольц выдвигает
предположение, которое снова привлекает всеобщее внимание.
ПАДЕНИЕ НА СЕБЯ
Если нет ничего, падающего на Солнце извне, то допустим, что оно падает как бы само
на себя. На первый взгляд, невероятное допущение. Но давайте сообразим, что такое
падение., Этим словом мы означаем движение тола под действием притяжения к центру
притягивающей массы. В нашем случае притягивающая масса - Солнце, и центр ее — центр
Солнца. И если отбросить устаревшие представления о твердости Солнца и допустить, учтя
данные различных наблюдений, что солнечный шар — гигантское скопище газа, то кажется
правдоподобным такое предположение: газовые частицы под действием могучего тяготения
постепенно приближаются к центру светила. Получается, что каждая такая частица
непрерывно падает и тормозится окружающим веществом, то есть ведет себя, как маленький
«внутренний» метеорит. А процесс этот неизбежно повлечет за собой нагревание солнечного
вещества.
Падение газовых частиц к центру Солнца должно сопровождаться уменьшением
размеров светила. Идея сводится к тому, что Солнце в целом сжимается под действием
собственного тяготения. Это, говоря языком науки, гравитационное1 сжатие и служит,
согласно Гельмгольцу, источником энергии светила.
Гипотеза сразу была признана остроумной и убедительной. Расчеты показали, что
сокращения диаметра Солнца всего на несколько километров в 100 лет вполне достаточно
для поддержания потоков солнечного света и тепла. Заметить сжатие светила можно было
бы лишь за тысячи лет.
Предположение Гельмгольца выглядело свободным от всякого рода искусственных
допущений. И как это было приятно — забыть о нелепом угольно-кислородном солнечном
веществе, о непостижимо громадных потоках метеоритов!
Нетрудно представить себе отчаяние астрономов, когда и эта гипотеза оказалась
ошибочной.
Преградой встало опять-таки неумолимое постоянство солнечного излучения в веках и
тысячелетиях, доказанное историей жизни на Земле. Из идеи Гельмгольца вытекало, что
даже из фантастически огромного шара, размером больше всей солнечной системы, Солнце
могло сжаться до современных размеров за каких-нибудь 20 миллионов лет. Срок, во всяком
случае, в десятки раз меньший, чем этого требует учение о развитии земной жизни.
Двадцать миллионов лет назад на Земле уже существовал богатый животный и
растительный мир. Океаны кишели рыбой, на суше появились очень похожие на
современных звери. Солнце же в это время должно было только-только рождаться. А
окружность его превышала бы орбиту Плутона — самой удаленной планеты солнечной
системы. Непреодолимое противоречие!
Так пришлось сдать в архив и гипотезу Гельмгольца.
1 Гравитация — тяготение.
В конце прошлого столетия потерпели фиаско не только попытки понять солнечную
силу. Физика, недавно одерживавшая блистательные победы, внезапно будто истощилась.
У всех на памяти было триумфальное шествие бессмертных открытий Ньютона.
Безупречное объяснение движений небесных миров, предсказание существования неведомых
прежде планет, кристально-ясные законы механики, точный расчет сложнейших механизмов
— это не могло не радовать. Вместе с тем обрело, казалось, законченные формы строгое и
глубокое учение об электричестве и магнетизме. Газовые законы и термодинамика (наука о
теплоте) уверенно входили в инженерную практику. Венцом познания природы выглядела
волновая теория света, подтвержденная многими наблюдениями и опытами.
И вот в этой устоявшейся физической картине мира, нарисованной за десятилетия и
столетия упорного труда ученых, вдруг появились досадные бреши.
Свет вдруг обнаружил свойства, никак не присущие волнам, а затем поразил физиков
парадоксальными, совершенно непонятными особенностями своего распространения.
Объявились вещества, неведомым способом излучающие неизвестно откуда
берущуюся теплоту.
Атомы ряда элементов оказались как бы таинственно исчезающими, тающими.
Что это означало?
Конец науки? Границу познания человеком природы?
Нашлись люди—приверженцы идеализма, религии,— которые сделали именно такой
вывод. На все лады принялись они кричать о якобы доказанной непознаваемости мира.
Унижая достоинство разума, они зачеркивали не только будущее, но и прошлое науки.
Даже атомы, заявляли они, плод воображения, да и сама материя существует де лишь в
математических уравнениях.
Сегодня все это кажется невероятным и нелепым. Встречая на каждом шагу памятники
победам человеческого знания, мы не можем даже представить себе в полной мере значение
слов «кризис науки». А тогда эти слова точно отражали положение вещей. Да, физика как
будто зашла в тупик. И подлинные испытатели природы ценой колоссальных усилий
пробивались вперед сквозь вязкую паутину философской реакции, зовущей к отказу от
знания, к отказу от всякой борьбы, в том числе — что весьма примечательно — и от борьбы
за лучшее будущее человечества.
Настоящий смысл «кризиса науки» раскрыл в ту пору Владимир Ильич Ленин. В своей
гениальной книге «Материализм и эмпириокритицизм» он поднял знамя войны против
зарвавшихся ходатаев человеческого бессилия.
Нет, то был не кризис. То был великий перелом в развитии человеческого знания,
перелом, ознаменовавший поражение примитивных, механических воззрений и торжество
самого передового философского учения —диалектического материализма.
В течение столетий наука занималась объяснением сравнительно простых явлений —
тех, с которыми человек встречался на каждом шагу и мог наблюдать во всех подробностях,
со всех сторон. Движение тел, доступных осязанию, измерению, взвешиванию, притяжение
их Землей, тепловые процессы в печах и паровых котлах, волны на воде и в воздухе — для
этого удавалось отыскивать разумные, не слишком трудные и логически стройные
объяснения. Классическая физика, которую вы главным образом изучаете в школе,
бесспорно, была правильной наукой. В нее не проникли какие-то просчеты, ошибки.
Недаром она каждый день подтверждалась практикой и оплодотворяла технический
прогресс.
Но кто сказал, что она должна быть универсальной?
По какой причине свет обязан во всем походить на звук, а атомы — на бильярдные
шарики? Почему Солнце, огромное, пышущее неведомым на Земле жаром, должно пылать,
словно вязанка дров или разогреваться подобно наковальне под ударами молота?
Нет, вся природа не обязана подчиняться законам, которые человек обосновал для
отдельных, частных ее явлений. В разных условиях, в разных масштабах физические
закономерности неодинаковы. Попробуйте натянуть человеческие туфли на медвежьи лапы
или обуть в сапоги муху. Не выйдет. И ученые терпели неудачи, пока применяли обыденные
мерки к атому и к Солнцу.
2. СВЕТ И МИР
В ТЫЛУ НАУКИ
Говорят, жила где-то мудрая сороконожка, которая умела кое-как считать. Однажды
она отправилась в путешествие, но на пути какой-то жук-злоумышленник льстиво спросил
ее:
— Скажи, о умнейшая из сороконожек, какими по счету из своих лапок ты касаешься
сейчас земли?
Сороконожка принялась считать, запуталась, снова начала... Словом, она безнадежно
остановилась, перестала двигаться. А это и нужно было зачем-то злому жуку.
Вот так же остановилась бы наука, если бы при каждом трудном вопросе, при каждом
внезапно возникшем недоумении она сосредоточивала бы все силы только на его
разрешении. Порой на такую задержку толкают науку всякого рода философствующие
«злоумышленники».
Иногда науке надо отложить до времени какую-нибудь из вставших задач, обойти ее и
любой ценой двигаться вперед. Как наступающая армия оставляет позади окруженные
вражеские группировки, так и фронт науки порой заходит далеко за белые пятна незнания.
Секрет солнечной силы долгое время был подобным белым пятном в тылу науки.
Понять его удалось лишь после длительных исканий в совершенно других областях
естествознания — в физике быстрых движений и учении о микроскопически малых частицах
вещества.
Мы не будем следовать извилистыми путями развития этих разделов физики после
пресловутого «кризиса». Но о некоторых удивительных парадоксах, о раскрытии отдельных
сокровенных секретов природы нам придется немного поговорить. Мы обратим внимание на
те факты,
которые заставили ученых по-другому взглянуть на окружающий мир, понять, что
материя неизмеримо богаче, чем считалось прежде. Изучив ее с новых позиций, ученые в
конце концов разыскали физические явления, сопровождающиеся колоссальным выделением
энергии и вполне объясняющие природу неистощимых потоков солнечного света и тепла.
КОПЬЯ И ВСПЫШКИ
Открывается соревнование по метанию копья.
Условия соревнования несколько необычны: выигрывает тот, чье копье будет лететь
быстрее всех других.
Участники выстроились в ряд. Судья командует:
— Внимание... приготовились... бросок!
Помощников судьи не интересует дальность или высота полета копий. Важно одно —
скорость... Щелкают секундомеры, сравниваются результаты, и вот уже выявлен победитель.
' Как водится, следуют поздравления, рукопожатия, вручение приза. И тут же к
победителю подбегает расторопный газетный репортеру который задает стандартный
вопрос:
— Как вы этого добились?
— Очень просто, — улыбается победитель. — Моя рука двигалась быстрее, чем у
других.
Действительно, чтобы разогнать тело, надо заставить быстро двигаться «источник» его
движения. У спортсмена копье ускоряется стремительным броском руки. Швыряя камень из
пращи, мы сильно раскручиваем ее чашку. Искусственный спутник Земли доводится до
огромной скорости быстро летящей ракетой-носителем.
Ну, а если нам вздумалось кидать не камни и копья, а... световые вспышки?
Представим себе немыслимое «состязание»: какие-то чудаки выстроились в ряд и,
размахнувшись электрическими фонариками, одновременно включают их на мгновение.
Вдаль летят световые сигналы. Достигнет ли какой-нибудь из сигналов цели раньше других?
Нет, не достигнет. К такому заключению нас привели бы точнейшие измерения.
«Соревнование» окончится ничейным результатом.
От каждого фонарика вспышка будет двигаться с одинаковой скоростью —
приблизительно 300 тысяч километров в секунду в пустоте. Как бы сильно вы ни
размахивали фонариком, как бы ни старались пустить световой сигнал «с разбегу», он всегда
одинаково быстр, пусть даже, разбежавшись, вы сами достигнете скорости, близкой к
скорости света.
НА ЧТО ПОХОЖ СВЕТ
Когда вам нужно срочно позвать приятеля, вы не станете кричать «с разбегу». Зов
дойдет столь же быстро, если вы крикнете и стоя на месте. Со световыми сигналами
происходит то же самое.
Вместе с тем мы знаем, что звук — упругие колебания воздуха. Так, может быть, свет
также представляет собой упругие колебания, но уже не воздуха, а какой-то другой среды —
неосязаемой и всепроникающей? Это простое предположение в свое время было широко
принято в физике. Оно подтверждалось многими экспериментами, говорящими о том, что
свет — типичное волновое движение. Гипотетическую среду распространения световых
колебаний назвали эфиром. Однако идею эфира пришлось оставить. Свет оказался не
похожим на звук.
Манипулируя звуковыми сигналами, нетрудно обнаружить собственное движение в
неподвижной среде — воздухе или воде. А световая сигнализация не допускает такой
возможности.
Разберемся в этом.
На станции — длинный железнодорожный состав. Прежде чем тронуться в путь,
машинист на паровозе дает гудок. Спустя примерно секунду звук гудка доходит до
последнего вагона. Если бы кондуктор на последнем вагоне, в свою очередь, дал звуковой
сигнал, тот дошел бы до паровоза через такой же промежуток времени. Но вот поезд
двинулся, развил скорость, мчится на всех парах. И снова загудел паровоз. Теперь звук гудка
скорее, чем на остановке, доходит до последнего вагона. Ведь пока звуковые волны бежали
назад, последний вагон мчался им навстречу. Наоборот, сигнал с последнего вагона дойдет
до паровоза не так скоро. В этом случае паровоз оставляет позади воздух, переносящий звук.
Звуку приходится догонять паровоз.
Можно даже перегнать звук. Летчик самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью,
не слышит из окон шума собственных двигателей. Шум вместе со своим носителем —
колеблющимся воздухом—все время остается где-то позади.
А от света не убежишь ни на шаг.
Получается так. Летит какой-то фантастически быстрый самолет. Скорость его огромна
— 200 тысяч километров в секунду. Летчик посылает световые сигналы от хвоста к головной
части самолета и обратно. Измерив скорость сигналов в обоих случаях, он получает
одинаковый результат — 300 тысяч километров в секунду.
Навстречу мчится другой столь же стремительный самолет. Там итог опыта со
световыми сигналами — тот же самый. Наконец подобный эксперимент ставят в физической
лаборатории на поверхности Земли. И снова прежний результат.
Как видим, движение источника и приемника света по скорости световых сигналов
установить невозможно. Эфир, в котором они, казалось бы, должны распространяться, ничем
себя не проявляет.
Ведь если бы эфир существовал, он должен был бы быть неподвижен относительно и
Земли и обоих летящих навстречу самолетов, а это, разумеется, нелепость.
Отсюда следует безапелляционный приговор: никакое го эфира — всепроникающего
носителя световых колебаний — не существует, а распространение света не похоже на
движение звуковых волн. Свет распространяется совсем особенным способом, причем
скорость света в пустоте всегда одинакова, как бы ни двигался световой источник.
ИДЕИ АЛЬБЕРТА ЭЙНШТЕЙНА
Крах эфира послужил одной из главных причин «кризиса» физики. Перед
растерявшимися учеными встала труднейшая задача: разумно, объяснить непостижимо
странный способ распространения света. Начались попытки ценой самых неправдоподобных
предположений спасти «эфир». Думали, что воскресить его — значит восстановить
потерянную логику, сохранить понятную физическую картину мира. Но ничего из этих
попыток не выходило. Становилось ясно, что эфир похоронен навсегда.
И вот тогда сказал свое первое слово Альберт Эйнштейн— будущий великий физик, а в
ту пору двадцатишестилетний сотрудник Швейцарского патентного бюро в Берне.
В 1905 году в научном журнале «Аннален дер физик» появилась его статья под
скромным заголовком «К электродинамике движущихся сред». В ней было положено начало
так называемой специальной теории относительности. Эйнштейн, не колеблясь, оставил
обветшалую идею эфира. Странности движения света он принял как экспериментальные
факты и положил их в основу новой физики, обобщающей и исправляющей прежнюю.
Сокровенный смысл эйнштейновских взглядов заключался в тщательном анализе
процессов измерения механических величин — длин и интервалов времени. В движущихся
предметах такие измерения в принципе не могут обходиться без сигнализации. Ведь узнать
длину предмета, летящего мимо наблюдателя, — значит дать сигналы с разных его концов,
либо воспользоваться часами, для сверки которых опять-таки нужны сигналы. В пустоте
придется применить лишь световые сигналы. А поэтому раскрыть логику механических
измерений нельзя, не учтя странности распространения света. Гений Эйнштейна поставил и
блестяще решил эту задачу, выявив, таким образом, удивительные особенности в самих
измеряемых объектах.
Исходные положения его теории гласили:
Во-первых, скорость света в пустоте для любых тел, движущихся равномерно и
прямолинейно, всегда одинакова и равна все тем же 300 тысячам километров в секунду.
Во-вторых, световая сигнализация внутри тела, движущегося равномерно и
прямолинейно, не дает возможности обнаружить это движение.
Таким образом, теряется смысл самого понятия абсолютного, безотносительного к
чему-либо движения. Любое движение физически реально лишь в том случае, если оно
происходит относительно чего-то. И вместе с тем любое движение, если оно происходит
равномерно и прямолинейно, физически вполне тождественно с покоем.
Путь к выводам теории Эйнштейна мы опустим, отсылая интересующихся к книгам и
статьям, посвященным этой теме2. Зато сами выводы мы постараемся пояснить образами.
ХОР СВЕТИЛ
Есть у Лермонтова чудесные строки:
На воздушном океане, без руля и без ветрил,
Тихо плавают в тумане хоры стройные светил...
Хоры светил! Звезды, поющие хором...
Рискуя вызвать недовольство любителей поэзии и вкладывая в слово «хор» его
общепринятый смысл, попробуем выяснить, может ли быть такое...
Вопреки правдоподобию, мы допустим, что звезды и в самом деле умеют петь, что они
сговорились совместно исполнить какую-то кантату или ораторию. Получится что-нибудь из
их затеи? Нет, не получится, потому что -звезды не неподвижны друг относительно друга.
Они с огромными скоростями мчатся в разных направлениях, И это делает звездную капеллу
невозможной. Оказывается, звезды не сумеют даже начать песню вместе.
Дело здесь вот в чем. Непременное правило любого хора — одновременность ведения
мелодий разными голосами. А в телах, движущихся друг относительно друга, по Эйнштейну,
лишено смысла само понятие одновременности. Никакой космический дирижер не в
состоянии указать звездам момент вступления в песню, не в силах держать единый ритм, ибо
2 Можно посоветовать, например, книги А. Эйнштейна и Л. Инфельда «Эволюция физики» и Р.
Пайерлса «Законы природы». Обе изданы в русском переводе. Для краткого знакомства очень полезна
статья акад. Л. Д. Ландау и проф. Ю. Б. Румера «Относительность времени» в журнале «Знание — сила»,
№ И за 1958 год.
ни того, ни другого попросту не существует. Абсолютная, безотносительная к движению тел
одновременность отсутствует в природе.
События, одновременные для одного наблюдателя, для другого, движущегося иначе,
окажутся неодновременными. Пусть с Земли мы «слышим», что Сириус начал петь раньше
Веги. Может случиться, что, мчась в Космосе на сверхбыстрой ракете, мы услышим,
наоборот, Вегу раньше Сириуса. Одним словом, хора не получится. Возникнет лишь
несусветная какофония, причем звучащая по разному для наблюдателей, которые
неодинаково движутся.
Абсолютной одновременности нет и быть не может — таков первый вывод теории
относительности. Какое событие произошло раньше или позже, можно определить лишь по
отношению к определенному наблюдателю3. Одновременность становится относительной. И
этот вывод повлек за собой другой — не менее парадоксальный.
РЕЗИНОВЫЕ МИНУТЫ
3 Правда, в известных пределах, которых мы здесь касаться не будем.
Вслед за относительностью одновременности Эйнштейн ввел в науку, как следствие,
отказ от абсолютного, всюду и всегда одинакового времени. Его место заняло относительное
время. По Эйнштейну, в телах, движущихся по-разному, время течет неодинаково. Чем
быстрее проносится мимо нас предмет, тем медленнее (с нашей точки зрения) идут часы,
помещенные на этом предмете. Минуты на них растягиваются, будто резиновые.
Надо, разумеется, помнить, что этот эффект в самом движущемся предмете неуловим.
Узнать о нем можно лишь «со стороны». Неодинаково движущиеся наблюдатели как бы
живут каждый по своим собственным часам, а сверить их, поставить по каким-то «общим»
часам невозможно. Таких «общих» часов попросту не существует. Правда, сколько-либо
заметное изменение масштаба времени появляется лишь при очень быстрых относительных
движениях. Но доказан этот эффект в наши дни неопровержимо — на многочисленных
опытах.
Можно не сомневаться, что, на радость авторам фантастических романов, космонавты
будущего, покоряя на звездолетах пространство и время, станут проводить в своих
путешествиях месяцы, в то время как на Земле протекут годы и десятилетия.
Нелегко было примириться и с другим выводом теории относительности — с тем, что
тело, несущееся со скоростью, близкой к скорости света, уменьшает в направлении движения
свой размер.
Если можно было бы сфотографировать арбуз, пролетающий за каждую секунду 270
тысяч километров, он вышел бы в виде сплющенной лепешки. И это не обман зрения. Для
неподвижного наблюдателя этот арбуз-метеор на самом деле приобретает форму блина. В
этом вы убедились бы, ухитрившись, ощупать его в полете, оставаясь сами неподвижными.
Из исходных положений теории относительности, из того, что свет невозможно
«догнать», вытекает и еще один вывод: скорость света — самая большая из мыслимых в
природе скоростей. Движение быстрее света невозможно. А отсюда следует важное для нас
заключение о связи скорости движущегося тела с его массой.
Пусть в нашем распоряжении ракетный корабль со сказочно мощным двигателем, с
неистощимым запасом горючего, которое непрерывно поступает откуда-то извне. Корабль
мчит нас в пустом межгалактическом пространстве. Ни одна пылинка не мешает его полету.
Все время включены двигатели. Вот ракета уже разогнана до колоссальной скорости. Но по
мере приближения к скорости света, которая, как мы говорили, предельна по величине,
разгон делается труднее и труднее. Все большие усилия требуются для увеличения скорости
корабля. Корабль как бы становится тяжелее 1 — другими словами, растет его инерция.
1Применяя слово «тяжелее» вместо «массивнее», мы используем известное
равенство инерционной массы массе гравитационной. Из школьной физики вы знаете,
что первая означает меру инерции тела (меру его способности сохранять состояние
покоя или равномерного прямолинейного движения), а вторая характеризуется
тяготением. Численное равенство обоих видов массы в классической физике было
загадочным совпадением. Столь же непонятным оно. осталось и в специальной теории
относительности. Только в так называемой общей теории относительности, о
которой мы в этой книге говорить не будем, равенство инерционной и гравитационной
массы находит объяснение.
Из школьной физики вы помните, что мерой инерции любого тела служит масса этого
тела. Следовательно, с увеличением скорости тела масса его увеличивается. Формулы
Эйнштейна говорят, что при достижении скорости света масса делается бесконечно
большой. Дальнейшее ускорение немыслимо.
С этим выводом специальной теории относительности перекликается еще один, не
менее интересный и связанный с проблемой солнечной энергии, которая нас
непосредственно интересует.
ВЕЩЕСТВО И ЭНЕРГИЯ
Предположим, что наш ракетный корабль мчится почти со скоростью света. Энергия
его движения колоссальна. И, как мы только что сказали, корабль обладает огромной массой.
Давайте уменьшим энергию движения корабля — затормозим его.
Согласно взглядам Эйнштейна, это немедленно повлечет за собой уменьшение массы.
Еще сильнее затормозим корабль — масса его станет еще меньше.
Вот наш корабль возвращается из далекого путешествия, спускается на космодром,
останавливается. Теперь от ракеты отнята вся энергия ее движения. И вместе с тем корабль
лишился последнего излишка приобретенной в движении массы.
Итак, измеренная неподвижным наблюдателем масса движущегося относительно него
тела, по Эйнштейну, неразрывно связана с энергией движения тела. Сегодня эта интересная
особенность стала твердо доказанным экспериментальным фактом. С учетом ее строятся,
например, мощные физические приборы, ускорители, в которых мельчайшие электрически
заряженные частицы разгоняются до огромных скоростей.
Ну, а если тело пребывает в покое? Энергии движения нет, но ведь масса-то осталась!
Не связана ли его масса покоя с какой-то еще не выделившейся, внутренней энергией?
Теория относительности отвечает на этот вопрос положительно. Взаимосвязь массы и
энергии присуща любым телам — и движущимся и неподвижным. Недаром неподвижность
так же относительна, как и движение.
Всякое изменение энергии тела сопровождается изменением его массы. Например,
сжатая пружина заключает в себе больше энергии, чем отпущенная. Поэтому она массивнее.
Стало быть, заведенные часы... тяжелее незаведенных! Тикают они — и постепенно
становятся легче.
Если это утверждение вы проверите на собственном
будильнике, вас постигнет разочарование. Никакими, даже самыми точными, весами
подобное уменьшение массы обнаружить не удастся.
Вообще во всех явлениях обыденной жизни изменения массы, связанные с
изменениями энергии тела, остаются совершенно незаметными. Классический закон химии
«вес веществ, вступающих в реакцию, равен весу веществ, получающихся после реакции»
остается в силе, пока речь идет о химических процессах, пусть даже самых бурных.
Чем это объяснить? Может быть, вывод Эйнштейна — ошибка?
Нет, вывод верен. А незаметность изменений массы вызвана тем, что содержание в
веществе скрытой энергии поистине колоссально. Даже самые обильные выделения энергии
из обычных повседневных источников влекут за собой ничтожное уменьшение массы.
Например, при сжигании платформы угля масса его уменьшается на 5 тысячных долей
грамма.
Согласно Эйнштейну, энергия, сконцентрированная в теле, численно равна массе этого
тела, дважды помноженной на скорость света. Вот эта знаменитая формула:
Е=тс 2
ЗдесьЕ — энергия в единицах, называемых эргами, т — масса в граммах, с —
скорость света, равная 30 миллиардам сантиметров в секунду.
Давайте попробуем подсчитать по этой формуле, сколько энергии заключено, скажем, в
двухкопеечной монете. Монета весит почти два грамма, цифру дважды на скорость света, мы
получим 1,8 . 1021 эргов, или 90 миллионов киловатт-часов энергии4 .
Более суток работы могучей Братской гидроэлектростанции заключено в двух граммах
вещества!
Вот к какому выводу привел науку отказ от эфира и построение новой системы
физических взглядов.
СОЛНЦЕ НЕ ЧУДО
4 1 эрг = 2,78 . 10-14 киловатт-часа.
Применимы ли изложенные выводы Эйнштейна к Солнцу? Конечно. Ведь Солнце —
это прежде всего материальное тело. А стало быть, его гигантское лучеиспускание вовсе не
феноменальное явление. Физика вполне «разрешает» ему светить так, как оно светит.
В самом деле, при общем потоке лучистой энергии 4. 1033 эргов в секунду. Солнце, как
вы можете убедиться сами, ежесекундно теряет 4. 1012 граммов, или 4 миллиона тонн
вещества. Порядочно! Впрочем, не так много, как может показаться на первый взгляд.
Вспомним, что вся его масса — 2. 1027 тонн. Значит, за миллион лет благодаря
лучеиспусканию Солнце «худеет» всего на одну миллиардную часть своей массы!
Как видим, проблема происхождения солнечной энергии получила какой-то намек на
решение. Правда, решение это слишком уж общее, в нем нет ничего раскрывающего секрет
конкретных процессов, происходящих под сверкающими покровами светила. И тем не менее
оно входит в число великих достижений науки. Эйнштейн дал физикам замечательную
руководящую идею, указал путь поисков, а главное — убедил в конечном успехе. Вряд ли
стоит доказывать, как это важно — поверить в грядущую победу!
Пожалуй, не стоит удивляться, что сначала идеи о внутренних солнечных процессах,
при которых вещество преобразуется в свет, были неясными и расплывчатыми Астрофизики
вели свои поиски на ощупь, неуверенно. Порой высказывались слишком скороспелые
гипотезы. Например, было сделано предположение об общей аннигиляции вещества, то есть
о том, что где-то в недрах светила атомы целиком превращаются в электромагнитное
излучение. Обосновать эту гипотезу не удалось, ибо ни на какие факты ока не опиралась.
Долгое время никто не мог сказать, какие именно атомы принимают участие в солнечных
реакциях, в чем заключаются сами реакции.
Но первоначальные неудачи отнюдь не обескураживали исследователей. О «кризисе»
не могло быть и речи, хоть и теперь иной раз слышались унылые голоса защитников всякого
рода «непознаваемости». Подлинным ученым было ясно, что эти затруднения временные,
что впереди бесспорный успех.
Секрета солнечных реакций нельзя было понять без глубокого проникновения в недра
вещества, в мир мельчайших материальных частичек.
А в этой области науки тоже совершились знаменательные перемены. И именно
достижениям физики микромира суждено было приподнять завесу над старой солнечной
тайной.
Прежде чем говорить об этом, нам придется снова углубиться в физику—на этот раз в
учение об атомах и атомных ядрах.
3. В НЕДРАХ НЕДР
ВЕЗДЕСУЩИЕ АТОМЫ
Каким только нападкам не подвергались в период «кризиса» науки атомы! «Нет их
вовсе!» — с пеной у рта кричали идеалисты. Пресловутый горе-философ Мах назвал их даже
«почтенным шабашем ведьм».
А что произошло потом?
Потом атомизм не только победил, но и превратился в широкую и разветвленную
область знания. В наши дни разные стороны поведения атомов изучают химики и
металловеды, кристаллографы и электротехники, астрономы и биологи. Даже современная
служба времени освоила эти мельчайшие невидимые частицы: построены небывало точные
атомные часы. Даже проблемы наследственности живых организмов познаются теперь с
учетом свойств атомов.
Из первоначальных во многом примитивных представлений атомизма в наши дни
развилась сложная и тонкая наука — атомная физика. За последние десятилетия в ней
совершено много выдающихся открытий, которые сделали ничтожно малый и неисчерпаемо
сложный атом понятным и доступным человеку.
Каков же атом?
Это материальное образование размером в среднем около десятимиллионной доли
миллиметра.
Снаружи атом представляет собой набор своеобразных яйцевидных — или, точнее,
эллипсоидовидных — электронных оболочек, образованных неуловимо быстро
движущимися электронами. Электронные оболочки — разные по величине. Они
перекрывают друг друга. А если бы мы смогли заглянуть внутрь атома, то увидели бы в
центре его крохотное ядро.
Заодно мы убедились бы, что главное место в атоме занимает... пустота.
Да, атом неимоверно пуст. Увеличенный в 100 миллиардов раз, он смахивал бы на
мыльный пузырь величиной с трехэтажный дом. При этом ядро получило бы размер
булавочной головки.
Столь нежное, на первый взгляд, «воздушное» образование имеет, однако, весьма
высокую прочность. Снаряд, летящий со скоростью сотен метров в секунду, пробивает
мощную броню. А если столкнуть с такой же скоростью два атома, они не причинят друг
другу никакого вреда и преспокойно разлетятся в разные стороны. Лишь при гораздо
больших скоростях столкнувшиеся атомы могут потерять один или несколько электронов.
В чем секрет такой прочности?
ЭЛЕКТРОННАЯ СВИТА
Мы с вами, читатель, — существа, живущие среди больших тел и предметов. Ведь даже
еле заметная пылинка содержит миллиарды миллиардов атомов. В нашем микромире мы
постоянно ощущаем только один вид сил, действующих на расстоянии. Это — силы
тяготения. Правда, мы знаем, что в природе существуют и другие
дальнодействующие силы — электрические и магнитные. Но в нашей повседневной
жизни они играют куда меньшую роль.
Разумеется, каждому школьнику известен закон: разноименные электрические заряды
или магнитные полюса притягиваются друг к другу, одноименные — отталкиваются.
Однако, когда на уроке физики вы сами опытом проверяли величину электрических сил, вам
она показалась совсем небольшой. Листочки электроскопа должны быть очень легкими,
чтобы раздвинуться, получив одноименный заряд.
Объяснить это нетрудно. Наш мир — царство крупных масс и сравнительно маленьких
зарядов. Поэтому тяготение в нашем мире преобладает над электрическими силами.
Иное дело в микромире.
Вот к примеру электрон. Он почти невесом, но несет ка себе значительный для такой
крохотной частички электрический заряд отрицательного знака. Следовательно,
электрическим силам он подвержен в неизмеримо большей степени, чем тяготению. Эти
силы и удерживают электрон в атоме, заставляя его двигаться вокруг положительно
заряженного атомного ядра.
Чем больше заряд ядра, тем многочисленнее электроны. В простейшем — водородном
— атоме электрон только один. А в атоме урана, где заряд ядра в 92 раза больше, находится
соответственно 92 электрона.
Благодаря тому, что атом ничтожно мал, электрические силы очень крепко
привязывают электроны к ядрам.
Особенно прочны внутренние, наиболее близкие к ядру оболочки.
А на наружных оболочках электроны обычно ведут себя весьма «общительно». Они
охотно устанавливают связи со своими соседями из других атомов, обмениваются с ними
местами, порциями света.
Горит свеча, сияет электрическая лампочка, варится на плите суп, кипит сталь в
мартене, на химическом комбинате клокочет смесь реактивов, проявляется фотопластинка,
растет дерево, движется, мыслит человек — все это в конечном итоге сводится к процессам в
наружных электронных оболочках атомов, к движению электронов, почему-либо
освобожденных этими оболочками..
Любопытно, что по заряду ядра — следовательно, по количеству электронов, и формам
электронных оболочек— атомы насчитывают всего 102 вида (из них
11 созданы человеком искусственным путем). Но взаимодействие их сложно и
многогранно. Именно кипучая жизнь электронных оболочек создала великое разнообразие
тел и веществ окружающей нас природы.
А как ведет себя атомное ядро?
Совсем по-другому!
В обычных условиях оно не принимает участия в буйном хороводе своей электронной
свиты.
БАЛЛАСТ В ВЕЩЕСТВЕ
На столе каравай хлеба весом в 4 килограмма. Мы знаем, что в конечном счете состоит
он из электронов и ядер разных атомов, главным образом углеродных.
Как вы думаете, сколько весят электроны и атомные ядра каравая в отдельности?
Ответим на этот вопрос сразу. Ядра — примерно 3 килограмма 999 граммов, а электроны —
всего лишь 1 грамм.
Между тем энергию нашему организму дают только электроны, да и то не все, а
главным образом находящиеся в наружных атомных оболочках. Лишь там, как вы уже
знаете, берут свое начало химические процессы — в частности и те, что служат источником
жизни. Ядра же непосредственного участия в этой полезной работе не принимают, значит, в
каравае хлеба 993/4 процента вещества не вносят ни эрга энергии и с этой точки зрения
представляют собой бесполезный балласт.
Любопытный факт. Биологи и биофизики в наши дни делают попытки осуществить так
называемое электронное питание живых тканей. В ткань взамен атомов вводится крохотная
доза свободных электронов. По предварительным данным, такие опыты удаются. Можно
думать, что когда-нибудь электронное питание войдет в практику животноводства —
разумеется, как некоторая добавка к обычному кормлению, ибо, кроме энергии, организму
нужно и вещество. Но едва ли даже в будущем этот способ питания применит человек. Мало
надежды на то, что наши внуки предпочтут—пусть даже отлично «сервированную» —
порцию свободных электронов обыкновенной яичнице!
С ненужным балластом мы сталкиваемся во всех обычных процессах — при сжигании
угля на электростанциях, нефти в топках тепловозов и кораблей. Выходит что любое
органическое топливо более чем на 99,75 процента негорюче.
Теперь нам становится ясно, почему в естественных земных условиях вещество столь
скупо отдает энергию, которая, как указал Эйнштейн, содержится в нем в колоссальных
количествах. Причина в том, что лишь электроны атомов активны, в том, что только
тысячные доли всей массы вещества могут вступать в энергетические реакции. Остальное же
дремлет в тиши атомных недр.
Так обстоит дело в подавляющем большинстве случаев.
Но нет правил без исключения.
Ещё более полувека назад Эйнштейн указал на земное явление, в котором, как он
надеялся, способна подтвердиться формула:
Е = mc2 .
«Не исключена возможность того, — писал ученый,— что проверка теории может
удаться для... солей радия». Соли радия! Странно светящиеся таинственным зеленоватым
сиянием, незаметно обжигающие... Сколько с ними связано незабываемых страниц истории
науки! Знаменитое открытие Анри Беккереля, случайно нашедшего вещество, которое
излучает энергию прямо из собственных глубин, не зарядившись никаким энергетическим
запасом извне; бесславные годы «кризиса науки», трудовые ночи Пьера Кюри и Марии
Склодовской-Кюри, проведённые в сарае с дырявой крышей над изучением этих непонятных
препаратов; открытие радия; радиоактивность...
Словно крошечные осколочки Солнца, крупицы радия из года в год, из века в век
испускают невидимые лучи.
Что же происходит в радии?
Там «пробуждаются ото сна» и отдают крохи своей огромной энергии атомные ядра.
„СПЯЩЕЕ" ЯДРО
Начало 30-х годов нашего века — пора открытий, ознаменовавших рождение физики
атомного ядра. Важнейшие исследования радиоактивности вели тогда супруги Фредерик и
Ирэн Жолио-Кюри. Английский физик Чедвик, ученик знаменитого Розерфорда, первого
разведчика атомных недр, открыл нейтроны — частицы, лишенные электрического заряда, а
по массе примерно равные ядрам водорода (протонам).
В 1932 году советские физики Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон поместили в одном из
научных журналов коротенькую заметку, которая затем приобрела значение важной вехи в
истории науки. В заметке содержалось предположение о строении атомного ядра. Какие же
частицы входят в его состав? Протоны и нейтроны,— сказали советские физики. Заряд ядра
равен числу протонов, а атомный вес — сумме чисел протонов и нейтронов.
Вскоре эта гипотеза была подробно разработана немецким физиком В. Гейзенбергом и
подтверждена экспериментом.
Может показаться странным, почему протоны в ядре выдерживают соседство друг с
другом: ведь они должны с огромной силой отталкиваться, ибо наделены одноименным
зарядом.
Ответ прост. Частицы ядра стянуты колоссальными силами притяжения,
превосходящими электростатическое отталкивание. Насколько велики эти силы, можно
судить хотя бы по тому, что связанное ими ядерное вещество в десятки тысяч миллиардов
раз тяжелее свинца и в миллионы раз прочнее любой брони.
Вначале природа ядерных сил была сплошной загадкой. Но постепенно теоретики
нашли им вполне разумное, с точки зрения высшей физики, но очень трудное для
популяризатора объяснение.
В детстве наши читатели наверняка любили меняться игрушками, монетами, марками.
И едва ли опытный меняла станет спорить против такого утверждения: для интенсивного
обмена приходится быть рядом с тем, с кем меняешься, — скажем, жить с ним в одном доме
или учиться в одном классе. Чем ближе меняющиеся, тем чаще обмен. Это непреложный
закон нашего детства.
Можно считать, что протоны и нейтроны атомного ядра — тоже любители меняться.
Им по вкусу чрезвычайно недолговечные и не очень массивные частички, которые
называются пи-мезонами. Вот как происходит обмен пи-мезонами в ядре тяжелого водорода
— дейтоне, который состоит из протона и нейтрона.
Протон, превращаясь в нейтрон, отдает соседу-нейтрону положительно заряженный пимезон. Сосед-нейтрон, получив положительный пи-мезон, становится протоном, но тут же
спешит вернуть приобретенную частичку. Затем все повторяется снова и снова.
Может возникнуть вопрос: откуда ядерные частицы берут пи-мезоны, которыми они
меняются? Из себя самих! По современным воззрениям, протон, например, представляет
собой какое-то сверхплотное центральное сгущение, окруженное «облаком» мезонов,
которые существуют «виртуально» — все время испускаются и тут же поглощаются.
Итак, поскольку издали совершать обмен «неудобно», нейтрону и протону,
беспрестанно превращающимся друг в друга, как бы непрерывно меняющимся местами,
приходится быть очень близко друг к другу. Обмен сближает меняющихся. А это, по
существу, и представляет собой действие сил притяжения.
Кстати, непрерывное взаимное превращение протонов и нейтронов приводит к тому,
что в ядре невозможно указать их точное местонахождение в каждый момент времени.
Поэтому, когда речь идет о частицах, находящихся в ядре, их объединяют общим названием
— нуклоны.
Приведенный нами пример детского обмена не претендует на разъяснение обменных
сил. Явление это настолько своеобразное, что ни в классической физике, ни тем более в
обыденной жизни не подберешь к нему достаточно убедительного сравнения. Но все же
пример не бесполезен. Он говорит хотя бы о необычайной сложности процессов,
происходящих в атомном ядре. Выясняется и другое: ядро отнюдь не неподвижно. Оно
постоянно бурлит в необычном, ему одному присущем молниеносном круговороте.
А мы то думали, что ядро «спит»!
Поистине материя немыслима без движения — и в ничтожном атомном ядре и в
гигантском Солнце.
ДВЕ ЗАДАЧИ
Прилежному первокласснику задают нелегкую задачу.
Первоклассник морщит лоб, складывает 80 и 20, получает в ответе 100 и пятерку в
классный журнал.
Ленивый студент-физик вытягивает на экзамене билет с пустяковой задачей.
Студент пожимает плечами, складывает столбиком 1,00814 и 1,00898, получает 2,01712
и... вполне заслуженную двойку в зачетную ведомость.
В чем дело? Арифметика-то соблюдена!
Зато забыта физика!
Студент обязан был знать о существовании ядерных сил и о законе взаимосвязи массы
и энергии.
Когда вы кладете сыр на хлеб, ничего необычного не происходит. Сыр спокойно
ложится на ломоть. Иначе говоря, массы самым немудреным способом складываются.
А как идет соединение протона и нейтрона?
Вообразите, что вы, каким-то волшебством очутившись в микромире, медленно
сдвигаете эти частички. Ближе, ближе... вот они уже на расстоянии 2 • 10-13 сантиметра. И
тут вступают в действие могучие ядерные силы. Между частицами начинается мезонный
обмен. Вырвавшись из ваших рук, они с безудержной стремительностью сталкиваются и
испускают порцию энергии. Образовавшееся ядро тяжелого водорода—дейтон тут же
улетает куда-то в сторону.
При сближении притягивающихся тел всегда выделяется энергия. В нашем же случае
благодаря огромной величине ядерных сил относительное освобождение энергии особенно
велико — в миллионы миллиардов раз больше, чем, скажем, при падении камня на землю.
Но ведь, по Эйнштейну, освобождение энергии влечет за собой уменьшение массы. Вы
убедились бы в этом, сумев поймать и взвесить образовавшийся дейтон. Его атомный вес
получился бы таким: 2,01474. Эту цифру и должен был написать наш злополучный студент,
чтобы не получить двойку.
Таким образом, атомный вес дейтона на 0,00238 меньше простой суммы атомных весов
протона и нейтрона. Недостаток массы, или, по принятой терминологии, дефект массы,
соответствует, по формуле Эйнштейна, энергии в 3,5. 106 эрга, или 2,18 мэв 5. Столько
энергии и выделилось при соединении частиц. А чтобы разделить их, пришлось бы,
наоборот, такое же количество энергии затратить. Причем разнесенные в стороны ядерные
частицы стали бы опять такими же тяжелыми, как положено быть свободным протонам и
нейтронам.
Теперь спросим: одинаково ли трудно отрывать нуклоны от атомных ядер разных
химических элементов?
Оказывается, нет.
И вот почему.
БОРЬБА СИЛ
Любое атомное ядро, содержащее больше одного протона, — это арена борьбы двух
противоположных явлений. Первое — мезонный обмен, — действуя на ничтожно малых
расстояниях, прочно объединяет ядерные частицы. Второе же — электростатическое
отталкивание протонов — несравненно слабее, хотя и далеко распространяет свое влияние.
Во всех ядрах так или иначе побеждает мезонный обмен. Ведь раз уж ядро существует,
5 м э в — миллион электроновольт, а электроновольт — энергия, необходимая электрону для
преодоления разности потенциалов в один вольт. Это наиболее удобная единица энергии для расчета
явлений микромира.
значит, электростатическое отталкивание не смогло одержать верх. Но внутреннее состояние
ядер, прочность связи их частиц немало зависят от соотношения созидающих и
разрушающих сил.
Теории, которая с исчерпывающей полнотой объяснила бы внутреннее состояние ядер,
в науке еще нет. Для создания ее нужно выяснить закономерности строения ядра, так же как
это сделано для атома. Как располагаются в ядре нуклоны? Как они движутся? Как
распределяется между ними энергия? В наши дни на этот счет существуют лишь
предположения. Мы их здесь не будем касаться. Рассуждения, с которыми вы сейчас
познакомитесь, носят поэтому очень упрощенный характер.
Возьмём к примеру тот же дейтон — ядро тяжелого водорода. Напомним еще раз его
состав: протон плюс нейтрон. В дейтоне действует одно ядерное притяжение, но еще не в
полную силу. Объединяя только две частицы, мезонный обмен не использует всех таящихся
в нем возможностей. Оба нуклона находятся как бы на поверхности ядра и поэтому часто
«стреляют» мезонами «мимо цели».
Крепче склеиваются мезонным обменом частицы ядра сверхтяжелого водорода трития,
состоящего из одного протона и двух нейтронов.
А вот ядро легкого гелия, в котором появился второй протон (на один нейтрон), связано
слабее ядра трития. Это и понятно: ведь вступило в свои права электростатическое
отталкивание протонов.
Но стоит прибавить сюда еще один нейтрон — и связь резко возрастет. В ядре
обычного гелия (комбинация двух протонов и двух нейтронов, называемая также альфачастицей) каждый нуклон приклеен к своим собратьям почти втрое сильнее, чем в ядре
легкого гелия.
Путешествуя дальше по «карте микромира», как образно называют иногда таблицу
Менделеева, мы убеждаемся, что вначале прочность ядер с некоторыми колебаниями быстро
растет, а затем, по мере увеличения веса и размеров ядер, постепенно снижается.
Ядра — рекордсмены прочности — находятся примерно в середине менделеевской
таблицы. В них мезонный обмен особенно интенсивен, ибо подавляющее большинство
нуклонов оказывается там внутри ядра и работает «во всю силу». «Мимо цели» их мезоны не
попадают. Казалось бы, с дальнейшим увеличением числа нуклонов ядро должно делаться
еще прочнее. А на самом деле происходит спад прочности.
Как его объяснить?
Общее влияние притяжения нуклонов в крупных ядрах ослабляется большим
количеством частиц. Мезонный обмен, реализуясь на ничтожных расстояниях, не может
охватить с прежней силой увеличившуюся семью нуклонов. Вместе с тем все заметнее
сказывается предательское отталкивание протонов.
Теория предсказывает: ядра с числом протонов больше примерно 120 существовать не
могут. Возникнув, они тотчас были бы разорваны электростатическим отталкиванием. А на
практике в естественных земных условиях наибольшее число протонов — 92, в ядрах урана.
И это весьма «рыхлые», неустойчивые образования.
ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ
Что произойдет, если менее прочное, менее устойчивое ядро мы превратим в более
прочное, более устойчивое?
Лампа устойчиво стоит на столе. Значит, она не может сама упасть, разбиться, наделать
шуму.
Упав все-таки на пол, лампа дальше падать не может. Значит, очутившись на полу, она
сделалась крепче привязанной к Земле, более устойчивой.
Всегда при переходе в более прочное, более устойчивое состояние тело или система тел
превращают потенциальную энергию в работу. Таков закон природы. И он в полной мере
относится к миру атомных ядер.
Значит, в итоге превращения менее прочной комбинации ядерных частиц в более
прочную произойдет то же, что при падении лампы на пол: освободится энергия, совершится
работа. Но можно заранее сказать, что теперь она будет колоссальна. Вы убедитесь в этом,
снова вспомнив закон взаимосвязи массы и энергии.
Дело в том, что прочность ядра полностью определяется величиной, хорошо доступной
измерению, — средней массой нуклона. Ведь, по Эйнштейну, уменьшение запаса
потенциальной энергии в теле неминуемо сопровождается уменьшением его массы. И чем
крепче в ядре привязан нуклон к своим соседям, чем больше израсходовал он своей
потенциальной энергии на связь, чем меньший запас этой энергии остался в частице, тем
меньше сделалась ее масса, тем нуклон легче. Мы приходим к выводу: в более прочных
ядрах нуклоны легче, в менее прочных — тяжелее.
Как узнать точный вес нуклонов в разных ядрах?
Очень просто: с помощью нашей «карты микромира», таблицы Менделеева. Выберите
в ней какой-нибудь элемент, разделите его атомный вес на число частиц в ядре, и дело
сделано.
Выполнив такие вычисления для ядер всех элементов, вы получите очень наглядную
кривую.
Рисуя картину изменения массы нуклона с увеличением числа нуклонов в ядре, она
вместе с тем точно выражает изменение прочности ядер. Если бы все ядра были одинаково
прочны, их взаимные превращения не сопровождались бы выделением энергии. Тогда наша
кривая стала бы прямой.
В действительности же атомные ядра, изменяя свое строение, как бы скатываются по
кривой вниз. Энергию, которая при этом выделяется, нетрудно подсчитать по формуле
Эйнштейна. К примеру, вес нуклона в ядре урана-235 на 1,8 • 10-27 грамма больше, чем в
ядре бария. Эта разница (удельный дефект масс) соответствует энергии в 1 мэв на нуклон. На
грамм вещества она составит 5,5 . 1023 мэв, или 8,8. 1010 джоулей.
Итак, освобождение ядерной энергии сводится к старой мечте алхимиков —
превращению элементов.
Какими же путями оно осуществляется?
4. ПРОБУЖДЕННЫЕ ЯДРА
ВНИЗ ПО ЛЕСТНИЦЕ
Открыв явление радиоактивности, Анри Беккерель столкнулся с первым и самым
простым путем превращения элементов и освобождения ядерной энергии.
Что происходит при радиоактивном распаде?
Ядро перестраивается и «скатывается» с менее устойчивого положения в более
устойчивое. При этом неизбежно выделяется ядерная энергия — в форме движения частиц и
электромагнитного гамма-излучения.
Например, уран при радиоактивном распаде переходит в радий, радий — в радон и так
далее, вплоть до устойчивого и нерадиоактивного свинца.
Стремясь к устойчивости, радиоактивные элементы будто спускаются по лестнице,
ступеньки которой имеют разную длину и высоту. На длинной ступеньке ядро «живет»
дольше. Чем выше ступенька, тем больше «спрыгнувшее» ядро освобождает потенциальной
энергии, тем ближе оно подходит к полной устойчивости.
Вот на верхней ступеньке — горсть ядер урана. Они словно катаются взад и вперед,
причем то одно, то другое достигает края ступеньки и падает вниз. При этом испускается
альфа-частица. Первая ступенька длинная, поэтому ядра обитают на ней очень долго.
Половина первоначального количества «скатывается» за 4,5 миллиарда лет.
Следующая ступенька — коротенькая. От попавших на нее перестроившихся ядер уже
через 24 дня остается только половина. «Падая вниз», они испускают электроны, и
неощутимо крошечные нейтральные частички, под названием нейтрино, снова
перестраиваются и на следующей, еще более короткой ступеньке живут всего 1,2 минуты.
Дальше следует более десятка коротких и длинных, высоких и низких ступенек. На
некоторых из них ядра пребывают многие тысячи лет. Правда, на других они издерживаются
на какие-нибудь десятитысячные доли секунды. В конце концов они достигают самой
нижней ступеньки, с которой уже упасть некуда. Так радиоактивные элементы
превращаются в устойчивые, нерадиоактивные.
Подобных лестниц в мире атомов несколько. Они объединяют в «семьи» много
естественно радиоактивных веществ.
Существуют в микромире и радиоактивные лестницы, сделанные человеком. Первыми
научились их строить видный французский физик Фредерик Жолио-Кюри и его жена Ирэн
Кюри.
Естественная и искусственная радиоактивность в наши дни верно служит технике,
биологии, медицине. Излучение радия, кобальта-60 применяется для лечения опухолей. Атомы, меченные
радиоактивностью, помогают решать сложные задачи науки и практики. Но такие вещества
пока еще не являются источниками полезной работы. Правда, в последние годы на их основе
научились устраивать светящиеся указатели, даже нечто похожее на миниатюрные
лампочки. Сообщалось, например, о «лампочке» величиной с кнопку и мощностью в 20
миллионных долей ватта, которая светит непрерывно в течение пяти лет. Сделана эта
световая батарейка из смеси измельченного фосфора с окисью искусственно радиоактивного
элемента прометия-147, излучающего электроны. Существуют и электрические батарейки на
искусственно радиоактивных материалах в сочетании с полупроводниками. Однако
подобные примеры — исключение. Для нужд большой энергетики радиоактивные вещества
неприменимы: слишком медленно, слишком малыми дозами они отдают свою энергию. И
причина здесь та, что по радиоактивной лестнице путь ядер к устойчивости невообразимо
долог.
ЧЕРЕЗ СТУПЕНЬКИ
Когда наш юный читатель, сделав уроки, бежит играть в футбол, он скачет по лестнице
сразу через две— три ступеньки. Иные ловкачи ухитряются перемахивать и через пять —
шесть ступенек! Разумеется, нижней лестничной площадки они достигают куда раньше, чем
степенные старушки, которые не спеша ступают на каждую ступеньку,
А почему бы ядрам тоже не попробовать «скакать через много ступенек» лестницы
радиоактивности?
Нечто подобное иногда случается.
Может ли ядро урана «перескочить» через промежуточные состояния на пути к
устойчивости? Да, но тогда, вместо того чтобы отдавать свое вещество и энергию «через час
по чайной ложке», оно должно сразу отколоть от себя порядочный кусок. Тогда и энергии
сразу выделится много.
В 1939—1940 годах советские ученые Г. Н. Флеров и К. А. Петржак доказали, что такое
самопроизвольное раскалывание урановых ядер бывает. Оно ведет гораздо «ниже», чем
лестница радиоактивности, и превращает урановое ядро в два ядра, каждое из которых
гораздо легче ядра свинца. Но происходит это явление чрезвычайно редко. Чтобы в куске
урана половина всех его атомных ядер сами собой раскололись, надо ждать сотни
миллиардов лет! Урановое ядро — не особенный любитель «скакать через ступеньки», лишь
в редчайших случаях борьба его внутренних сил приводит к столь резкой перестройке, как
расщепление.
Тогда, может быть, есть способ как-нибудь заставить урановое ядро делиться? Что,
если стрельнуть в него быстрым электроном? Он не пробьет брони электронной оболочки, а
если и пробьет, то дойдет до ядра слишком слабеньким. Ударить в ядро протоном или
другой тяжелой электрически заряженной частицей? Не выйдет. 92 протона уранового ядра
совместными усилиями без труда оттолкнут пришельца прочь.
А если запустить в ядро нейтроном? Вот это другое дело! Электрическое поле нейтрону
не преграда. Попав в ядро, он может легко проникнуть внутрь. И в некоторых случаях
нейтрон, очутившийся в ядре, способен расщепить его, рассечь на два более легких ядра.
Убедившись в этом, физики распахнули двери в новую эру истории человечества —
эру атомной энергии.
СЕКРЕТ УРАНА
На музейной витрине под стеклом — невзрачные, ничем не примечательные с виду
камни. Они похожи на булыжники, которыми мостят мостовые. Но поднесите к ним счетчик
радиометра — и вы услышите в наушниках пулеметную дробь щелчков. Перед нами
радиоактивное сырье. Уран...
Что это за металл, в чем секрет его столь громкой в паши дни славы?
Многим читателям ответы на такие вопросы известны, но мы все же вкратце напомним
физическую сущность процессов в урановых ядрах, бомбардируемых нейтронами.
В природе существуют три разновидности урана—три изотопа: уран-234, уран-235 и
уран-238. Протонов в атомном ядре каждого из них одинаковое число — 92.
Различаются же ядра разных изотопов количеством нейтронов.
Легче всего делится нейтронами уран-235. Однако в природе его очень мало — всего 7
граммов на килограмм естественного урана. И выделить уран-235 чрезвычайно трудно. На
специальных заводах газообразные соединения урана многократно пропускаются через
тонкие пористые перегородки. В конце концов, благодаря еле уловимому различию в весе
атомов соединения неодинаковых изотопов металла оказываются в разных местах установки.
Это очень дорогой и трудоемкий процесс, но техникой он вполне освоен.
Итак, в нашем распоряжении кусочек урана-235. Вот пришедший откуда-то нейтрон
попал в одно из его бесчисленных атомных ядер и застрял там. На этот раз ядро удобно
представить себе в виде круглой капли «ядерной жидкости». Очутившись в ней, нейтрон
тотчас «потерял в весе», а освободившейся энергией привел каплю-ядро в возбужденное
состояние. В капле нарушилось равновесие, начались быстрые нарастающие колебания. Они
«раскачали» ядро, которое из-за этого потеряло сферическую форму, удлинилось. А тогда
электрическое отталкивание протонов (оно, как мы помним, действует и на далеких
расстояниях) начало одерживать верх над ядерным притяжением нуклонов. Капля
вытянулась, пала похожа на разделяющуюся амебу, которую вы видели в учебнике
естествознания. И вот уже исчезла ниточка, связывавшая обе части. Большая капля
превратилась в две маленькие. Урановое ядро разделилось на осколки, на ядра других, более
легких и устойчивых элементов.
Гонимые электростатическим отталкиванием протоков, ядра-осколки стремительно
разлетелись в разные стороны и растолкали окружающие атомы.
Маленькая, на первый взгляд, подробность: при делении освободилось несколько
нейтронов. В образовании ядер-осколков они оказались попросту лишними, как бы
строительным отходом. Но это — факт огромной важности. Именно благодаря
освобождению «лишних» нейтронов делается возможной так называемая цепная реакция
деления урановых ядер и выделение громадных количеств атомной энергии. Ведь
выпущенные на волю «лишние» нейтроны способны расколоть другие урановые ядра, те при
последующих делениях, в свою очередь, рождают новые свободные нейтроны и т. д.
Правда, в небольшом куске урана цепочка последовательных делений ядер быстро
оборвется. Многие из нейтронов, получивших свободу, уйдут за пределы маленького куска,
не успев ничего сделать.
Что ж, попробуем соединить два малых куска урана-235 в один достаточно большой.
Тогда от первого самопроизвольно разделившегося ядра начнется нарастающая лавина
расщеплений. Энергии выделится уже настолько много, что она разрушит, раскрошит
металл. Произойдет небольшой взрыв, «хлопок», который разорвет большой кусок урана на
маленькие. Однако в маленьких крошках металла цепная реакция тотчас оборвется: охватить
все вещество она не сможет.
А если не дать урану сразу развеяться? Если соединить его малые и потому безобидные
куски внутри какой-то очень прочной оболочки? Тогда лавина ядерных делений не
оборвется, едва начавшись. За миллионную долю секунды она охватит весь объем урана,
вызовет колоссальное число делений и мгновенно освободит энергию в десятки и сотни
миллионов киловатт-часов. Произойдет ядерный взрыв.
Именно так и устроена атомная бомба.
Каждый, кто впервые знакомится с принципом действия атомной бомбы, невольно
поражается его крайней простоте. В прочной оболочке быстро соединяются два или
несколько кусков тяжелого, специально приготовленного металла—только и всего, если не
считать второстепенных дополнений. Но это несложное решение никогда не могло бы
оказаться плодом случайного изобретения: ему предшествовал титанический многолетний
труд. И, несмотря на то что завершающие открытия были совершены отдельными физиками
(среди них Хан, Штрассман, Лиза Мейтнер, работавшие в Германии, итальянец Ферми,
советские ученые Зельдович, Харитон, Флеров, Петржак и другие), можно считать, что
атомная бомба — итог пытливой мысли многих исследователей разных стран.
И какой страшный итог!
ГИБЕЛЬ ГОРОДОВ
Ядерный взрыв... Это вспышка света ярче Солнца, вспышка, которую и на далеком
расстоянии ощущают даже слепые, это всесокрушающая ударная волна, это жар в десятки
миллионов градусов, молниеносно вызывающий огромные пожары, это поток
радиоактивных лучей — губителей жизни, это заражение местности, болезни и страдания
тех, кто чудом уцелел, это уродство еще не родившихся детей. Неописуемо бесчеловечное
орудие всеобщего разрушения и массового уничтожения людей.
В конце второй мировой войны американская военщина запятнала себя преступлением,
которое невозможно ни забыть, ни простить. Уже после фактического разгрома Японии 110
тысяч жизней мирных обитателей городов Хиросима и Нагасаки оборвала внезапная смерть
от взрывов двух атомных бомб.
Это было совершенно ненужное с военной точки зрения, сознательно задуманное
массовое убийство.
Вот высказывание одного из летчиков—членов команды американского самолета,
сбросившего атомную бомбу на Хиросиму:
«...Мы появились над городом Хиросима в 8 часов 15 минут. Это было время, когда
люди встают и отправляются на работу. Мы видели движение на улицах: троллейбусы,
грузовые машины, группы пешеходов.
Когда бомба упала, наш самолет сильным толчком отнесло в сторону. Мы двигались с
огромной скоростью. Через две минуты мы уже смогли увидеть, что произошло позади нас,
внизу.
Город исчез. Не осталось ни троллейбусов, ни грузовиков, ни пешеходов. То место, на
котором стоял город, было объято пламенем. Огонь быстро распространился на несколько
километров, достиг даже окрестных холмов...»
В это время в самом городе, по другому описанию, «...люди мгновенно превращались в
обуглившиеся трупы. Под нависшим густым облаком черной пыли... еще живые люди, с
обожженной кожей, чудовищно распухшие, корчились в муках последней агонии... Ни
деревца, ни травинки не уцелело на обширной испепеленной территории...»
Мы помним, как после разрушения Хиросимы и Нагасаки начался приступ
разнузданного торжества американской реакции, как появился пресловутый термин
«политика с позиции силы», как назойливо затрещали голоса поджигателей новой войны.
Империалисты принялись высчитывать, сколько лет потребуется Советскому Союзу на
освоение-производства атомной бомбы. «Двадцать лет, — в упоении восклицали эти гореэксперты,—тридцать, сорок...»
Ради курьеза у нас в стране в 1948 году была переведена американская «пророческая»
брошюра «Когда у русских будет атомная бомба».
Просчитались предсказатели!
Советский Союз в том же 1948 году уже владел ядерным оружием.
И сразу же наша страна повела борьбу за его запрещение, развернула работы по
изысканию мирных путей освоения атомной силы.
УПРАВЛЕНИЕ СТИХИЕЙ
Легендарный Прометей, подарив человеку огонь, видимо, сразу рассказал, как им надо
пользоваться. Было бы совсем неплохо, если бы он заодно вручил людям первую
противопожарную инструкцию. Ведь мало пользы уметь только зажечь пламя, не зная, как
его уменьшить, увеличить или погасить. И издревле человек в совершенстве овладел стихией
огня, подчинил ее себе.
А как обстоит дело с подчинением нового, в миллиарды раз более сильного огня —
атомной стихии?
Мы видели, что в случаях радиоактивности и взрыва атомной бомбы ядерная энергия
выделяется совершенно независимо от воли человека. Единственное, что он может сделать,
— это дать первоначальный толчок: скажем, включить механизм, соединяющий куски урана.
А дальше процесс вырывается из-под контроля и развивается сам собой. Вещество
неудержимо «падает» в «потенциальную яму», в «колодец устойчивости». Замедлить
падение невозможно, как невозможно одному путнику остановить лавину в горах. Точно так
же нельзя ускорить медлительные «шаги» атомных ядер по «лестницам радиоактивности»,
даже если эти «лестницы» построены человеком. Но отсюда вовсе не следует, что контроль
за ядерными процессами невозможен.
Еще до создания первой атомной бомбы физики научились управлять цепной реакцией
деления урановых ядер. Спокойно и послушно воле людей она может идти в специальной
установке — ядерном реакторе, или, как иногда говорят, атомном котле.
Устроены ядерные реакторы весьма разнообразно, но в принципе не очень сложно.
Широко описан, например, первый в СССР и в Европе реактор, который представляет
собой просто кладку графитовых кирпичей со вставленными в них цилиндрическими
столбиками природного урана. Сверху через специальные каналы в кладку можно было
вводить регулирующие стержни из материала, жадно поглощающего нейтроны.
Как действует такая установка?
Из-за редких самопроизвольных делений ядер в уране всегда блуждают нейтроны. И,
понятно, чем массивнее кусок урана, тем больше в нем блуждающих нейтронов. Но в
природном уране они не вызывают цепной реакции. Почему?
Потому что они движутся со слишком большой скоростью.
Дело в том, что естественный уран в основной своей массе состоит из изотопа с
атомным весом 238, а его атомные ядра жадно поглощают такие быстрые нейтроны, выводят
их из игры.
Между тем, если бы нейтронов хватило, цепная реакция могла бы отлично развиваться
на редко встречающихся, но легко делящихся ядрах урана-235.
Как же унять аппетит урана-238, заставить его отказаться от чересчур обильного
пожирания нейтронов?
Средство есть. Надо сделать эти нейтроны для него «несъедобными»!
Физики выяснили любопытный факт: урану-238 по вкусу главным образом быстрые
нейтроны, а те, что движутся медленнее, он поглощать не любит. Значит, для спасения
нейтронов от массовой гибели в уране-238 их нужно каким-то способом замедлить.
Графит в реакторе и играет роль спасителя — замедлителя нейтронов. Сталкиваясь с
ядрами его атомов, нейтроны теряют скорость. Кстати сказать, этот графит должен быть
тщательнейшим образом очищен от примесей. Даже ничтожные загрязнения способны
превратить его из замедлителя в такого же пожирателя нейтронов, как уран-238.
Итак, в системе «природный уран плюс графит» появляются медленные нейтроны.
Ядра урана-235 делятся ими гораздо лучше, чем быстрыми. Быстрый нейтрон часто может
«прострелить» ядро урана-235, не вызвав никаких последствий, а медленный почти всегда
застревает в этом ядре и расщепляет его. В итоге цепная реакция становится вполне
возможной.
Остается пояснить, как ею управляют.
Для этого служат стержни из соединений кадмия и бора, которые, как мы помним,
можно опускать внутрь уран-графитовой кладки.
Кадмий и бор обладают способностью очень сильно поглощать нейтроны, причем, в
отличие от урана-238, любые — и быстрые и медленные. Выдвигая эти стержни из реактора,
мы постепенно наращиваем нейтронный поток и даем начало цепному процессу.
Манипулируя стержнями, мы по желанию усиливаем или ослабляем реакцию и при любой
необходимости останавливаем ее. Тем самым мы регулируем количество выделяемой
энергии.
Как мы теперь видим, расщепление атомных ядер вполне подвластно воле человека.
ДРОВА В ЗОЛЕ
Кроме уран-графитового, существует немало других типов реакторов. Интересны
котлы на быстрых нейтронах, в которых не только «сгорает» уран-235, но одновременно из
урана-238 вырабатывается новое ядерное горючее—плутоний-239. Академик И. В. Курчатов
однажды сравнил такую установку с чудесной печкой, из которой вместе с золой можно
выгрести больше топлива, чем сгорело.
На первый взгляд, это невозможно.
Но такие установки уже созданы.
Мы уже знаем, что уран-238 вбирает в себя быстрые нейтроны. Так вот, поглотив эту
частицу, урановое ядро превращается в очень неустойчивое ядро урана-239. Примерно через
23 минуты это ядро распадается и, дважды испустив электрон и нейтральную частичку
нейтрино, переходит в ядро зауранового элемента — плутония-239. Плутоний и служит
новым ядерным горючим, которое делится нейтронами не хуже урана-235.
С расчетом на такое «воспроизводство» ядерного горючего реактор приходится строить
своеобразно. Прежде всего он должен работать на быстрых нейтронах (ведь только они
входят в «рацион» урана-238). Как этого добиваются? Вот простейший способ.
Устраивают сердечник, в котором помещают блоки урана, сильно обогащенного
горючим ураном-235. Получается почти атомная бомба. Там идет еле сдерживаемая цепная
реакция. Выделяющиеся в процессе расщепления ядер нейтроны мощным потоком
вырываются наружу и попадают в блоки урана-238, размещенные вокруг сердечника. В
итоге в блоках постепенно накапливается плутоний. Отделить его нетрудно. Эта операция
выполняется на специальных химических заводах.
В подобном реакторе можно получить и третий вид ядерного горючего—уран-233.
Только вместо блоков урана-238 вокруг сердечника располагают блоки тория-232 (из него-то
и образуется уран-233). Причем для изготовления урана-233 даже не обязательны быстрые
нейтроны. Процесс вполне осуществим на медленных нейтронах, что гораздо удобнее —
проще регулировать выделение энергии. Искусственное ядерное горючее может, так же как и
уран-235, использоваться для изготовления атомных бомб. В частности, американская бомба,
сброшенная на Нагасаки, была плутониевой.
Но воспроизводство ядерного горючего имеет громадное значение и для мирной
ядерной техники. В реакторах, о которых мы сейчас рассказали, и в самом деле удается
получить больше нового горючего, чем израсходовано. Речь идет о полном энергетическом
использовании всего природного урана (а не жалких 0,7 процента, приходящихся в нем на
долю урана-235) и всего тория. Запасы же этих элементов на нашей планете немалые. По
содержанию энергии они превосходят ресурсы угля и нефти.
ЗАРЯ ГРЯДУЩЕГО
Нет, не японская трагедия открыла атомную эру.
Атомный век начался 27 июля 1954 года — в день, когда в нашей стране, возле одного
из подмосковных городков, вступила в строй маленькая атомная электростанция мощностью
всего в 5 тысяч киловатт. Первая из первых в мире, она явилась родоначальницей прогресса
могучей ядерной энергетики.
Схема действия этой знаменитой станции известна теперь каждому любознательному
человеку.
В уран-графитовом реакторе выделяется тепло. Оно выносится оттуда водой, текущей
под давлением. Эта вода радиоактивна, опасна для человека. Но через стенки труб,
поглощающих вредоносные лучи, проходит тепло, которое используется для получения пара
из другой — чистой воды. Этот пар вращает турбогенераторы, вырабатывающие
электроэнергию. Подобная схема — одна из множества возможных.
Атомные электростанции могут различаться и типом реактора, и способом отвода
тепла, и методом преобразования тепла в электрический ток. Предстоит испробовать десятки
вариантов, проверить их в эксплуатации, выбрать наилучшие — самые простые, надежные,
экономичные. Перед инженерной и изобретательской мыслью — широкий простор исканий.
Осенью 1958 года вступила в строй первая очередь новой советской атомной
электростанции мощностью уже 100 тысяч киловатт. Полная же мощность этой станции
составит 600 тысяч киловатт.
По стопам нашей Родины пошли и другие страны. Атомные электростанции сооружены
в Англии, Франции, Канаде, в Соединенных Штатах Америки.
Ядерная энергия проникает на транспорт. Спущен на воду атомный ледокол «Ленин».
Разрабатываются проекты атомных локомотивов, самолетов, даже атомных ракетных
кораблей.
Расщепление тяжелых ядер — сегодняшний день нашей индустрии.
Однако остановится ли атомная техника на использовании одного лишь
расщепляющегося ядерного горючего? Конечно, нет! Это только начало.
Ведь запасы урана и тория в земной коре не безграничны, добывать их не так-то уж
легко. Давно уже возник вопрос: а нет ли какого-либо более доступного ядерного сырья, нет
ли способа обойтись без урана и тория при извлечении атомной энергии, найти для этого
другие элементы, другие методы?
Чтобы получить ответ на такие вопросы, мы вновь возвращаемся к Солнцу. Именно там
найдем мы новое ядерное топливо, новый способ его сжигания. Но сначала мы обязаны
подробнее разобраться в особенностях бурной жизни светила.
1. СВЕРКАЮЩИЙ ПОКРОВ
Рождение света. Фарфор и сажа. Черное Солнце . Электроны-прыгуны. Разгадка
шифра . Фотонное меню .
2. ПРАВО СИЯТЬ
Мяч с отоплением. Мнимый запрет. Конституция микромира.
Частицы и среда. Волны вероятности. Лыжники-кудесники.
непроницаемое. Разрешение дано.
Сквозь
3. ЯДРА СЛИВАЮТСЯ
Снаружи и внутри. Первые пробы. Решающее открытие. Главный этап. Конвейер
реакций . Ядра-повара. Теория и опыт . Подводим итоги. Вчера и завтра . Судьбы звезд.
1. СВЕРКАЮЩИЙ ПОКРОВ
РОЖДЕНИЕ СВЕТА
Солнце — прежде всего необозримый океан света.
А что такое свет?
Не ищите легкого объяснения.
- Природа света на редкость сложна и противоречива. Кстати сказать, в конце XIX века
это послужило одной из причин «кризиса» физики.
Вы никогда не поставите знак равенства между морской зыбью и брошенным камнем.
Волны и частицы — вещи разные.
А вот свет одновременно несет в себе свойства и того и другого.
С одной стороны, он ведет себя, как электромагнитные волны, но только очень
короткие. Волны длиной 0,4 микрона дают красный свет, 0,5 микрона — сине-зеленый и т. д.
Как подобает волнам, свет проходит сквозь узкие щели, огибает препятствия, преломляется и
отражается.
Но вместе с тем он рождается, гибнет и взаимодействует с веществом не как волны, а
как частицы — фотоны, дискретные порции (кванты) электромагнитного поля. Свету разных
цветов соответствуют фотоны неодинаковых энергий: наименее энергичные — красному,
наиболее энергичные — фиолетовому. Энергия фотонов связана с частотой световых
колебаний простеньким соотношением:
Здесь Е — энергия фотона в эргах, v — частота (число полных колебаний в секунду),
h
— величина, называемая постоянной Планка, или квантом действия, которая равна
6,62377 . 10-27 эрг. секунду.
Излучая свет, атомы «стреляют» световыми «пулями».
Посмотрим, как это происходит.
Вот атом движется среди своих собратьев. Неожиданно он сталкивается с соседом и
переходит в менее устойчивое состояние. Один из его электронов срывается со своей орбиты
(пути движения вокруг ядра) и перескакивает на другую орбиту, расположенную от ядра
подальше. В таком состоянии частички атома могут находиться разное время. Если
электрону легко вернуться на прежнюю орбиту, он это делает сразу же, а излишек энергии
освобождается в виде порции света — фотона. Тут и происходит «стрельба световыми
пулями».
Именно такова сущность свечения тел из-за нагревания; ведь в этом случае атомы
обладают большой энергией и могут при столкновениях передавать ее крупными
«порциями».
Столкновения атомов создают и свет пламени лучины, и вспышку спички, и сверкание
расплавленной стали. Чем сильнее нагрето тело, тем интенсивнее беспорядочное движение
его атомов. При высокой температуре столкновения атомов чаще, чем при низкой. Поэтому,
раскаляя тело, мы заставляем его светиться ярче.
Вы наверняка замечали и другое: кусок железа в печи ведет себя, как хамелеон —
сначала краснеет, потом делается оранжевым и, наконец, желто-белым.
Это тоже понятно. Повышается температура—и не только чаще, но и сильнее
становятся атомные столкновения. Естественно, что при этом «выбиваются» все более
энергичные фотоны — на смену излишку красных лучей идет излишек желтых, зеленых и т.
д. Соотношение количества разных лучей меняется, а это и влечет за собой изменение цвета.
ФАРФОР И САЖА
Теперь мы знаем, как определить издалека температуру нагретого предмета: можно по
яркости его излучения и по цвету. Оба способа широко используются на практике. Кузнец,
глядя на раскаленный кусок металла, прикидывает по цвету, не пора ли его вынуть из горна
и ковать. Сталевар, оценивая яркость жидкой стали, принимает меры, чтобы не поджечь свод
мартена. Изобретены и действуют разнообразные приборы, которые заменяют в таких
измерениях человеческий глаз и довольно точно фиксируют температуру нагретых тел.
А нельзя ли этими способами узнать, как раскалена поверхность Солнца?
Можно, но только при соблюдении некоторых предосторожностей.
Дело вот в чем: тела разного цвета неодинаково излучают свет при нагревании.
Раскаленный кусочек фарфора сияет слабее и как бы краснее, чем доведенная до той же
температуры крупинка сажи. С чем же правильнее сравнить Солнце — с фарфором или с
сажей?
Не будем спешить с ответом. Прежде разберемся в том, что такое «черное тело».
«Черное» — значит поглощающее свет. В большой мере таким свойством обладает
сажа. Однако и сажа, вопреки поговорке, чуть-чуть бела, ибо небольшую долю света она
отражает. Ее хоть и с трудом, но можно осветить.
А есть что-нибудь чернее сажи?
Возьмите какую-нибудь полость — к примеру, бочку из-под бензина —и проделайте в
стенке маленькую дырочку. Эта дырочка — чемпион черноты. Осветить ее практически
невозможно. Любой луч, направленный в бочку, исчезает в ней, полностью поглощается. Мы
получили то, что в физике именуют «абсолютно черным телом».
Начнем теперь любым способом нагревать внутреннюю полость нашей бочки,
позаботившись о том, чтобы она не передавала тепло наружу.
Вот температура достаточно высока. Стенки начали изнутри светиться. В полости
появилось надежно плененное излучение. Количество его при каждой температуре
наибольшее — ведь оно никуда не уходит (то, что выходит из маленькой дырочки, очень
мало). В соответствии с температурой меняется при нагреве качество излучения — грубо
говоря, его цвет. И яркость и спектр нетрудно исследовать по световому лучу, выходящему
из маленького отверстия.
После многочисленных опытов и сложных теоретических изысканий физики раскрыли
закон излучения такого абсолютно черного тела. Была выведена точная формула
зависимости плотности излучения (количества энергии в кубическом сантиметре) от
температуры и цвета, точнее, местоположения максимума энергии в спектре.
Выяснил эту закономерность в начале нашего столетия немецкий ученый Макс Планк,
и она послужила первой ласточкой последующего развития науки, называемой квантовой
механикой, которой суждено было смести прочь гнетущее наследие «кризиса науки» и о
которой нам еще предстоит говорить впереди.
ЧЕРНОЕ СОЛНЦЕ
Мы однажды чуть было не обиделись на астрономов, прозвавших грандиозное Солнце
«желтым карликом».
Пожалуй, еще обиднее назвать сверкающее золотом светило черным и даже абсолютно
черным.
Но ничего не поделаешь. Физики выяснили, что ряд свойств Солнца заставляет для
решения некоторых проблем считать его очень похожим на абсолютно черное тело.
Дело тут вот в чем.
Оказывается, наружные солнечные слои поглощают все излучение, падающее на них
изнутри (почему это происходит, вы узнаете позднее). А ведь также вели себя и стенки
нашей бочки. Кроме того, как ни велик поток лучистой энергии, уходящей с солнечной
поверхности в окружающее пространство, он все же совершенно ничтожен по сравнению с
невообразимо огромным количеством излучения, спрятанного внутри светила. Атмосфера
Солнца — это как бы гигантское непрозрачное одеяло. Свет и тепло, льющиеся из нее
наружу, равносильны тоненькому лучику, который выходил из крошечной дырочки в стенке
бочки — модели абсолютно черного тела.
В общем, мы вынуждены, попросив извинения у Солнца, признать его черным.
А теперь приступим к измерению температуры поверхности Солнца.
На пути пучка солнечных лучей поместим трехгранную стеклянную призму. Выйдя из
нее, пучок вытягивается в радужную полоску спектра. Волны разной длины, составляющие
лучи солнечного света, в нем как бы расставлены «по росту». Самые «рослые» волны —
носители красных лучей — оказались на одном фланге, самые коротенькие — фиолетовые
— на другом. Почему так происходит? Потому что лучи разного цвета по-разному
преломляются в стекле: сильнее всего — фиолетовые, слабее всего—красные.
Теперь «поставим градусник» солнечному спектру.
Возьмем чувствительный термометр и выкрасим черной тушью его шарик с ртутью.
Получится прибор, называемый болометром.
Внесем шарик болометра в радужную полоску. Ртутный столбик чуть-чуть поднимется.
Это понятно: ведь черная краска поглотила световую энергию, нагрелась, передала тепло
ртути, а та расширилась и поднялась вверх по тоненькой трубочке.
Теперь медленно проведем шарик вдоль радужной полоски и будем зорко следить за
подъемом ртутного столбика. Мы заметим, что, выше всего столбик поднимается тогда,
когда шарик будет находиться в сине-зеленой части спектра. Если для измерения применить
не ртутный, а исключительно чуткий электрический болометр, то удастся весьма точно
определить место наибольшей энергии солнечного спектра. Оно находится там, где лежат
сине-зеленые световые волны длиной 0,47 микрона.
Остается по формуле, выведенной для равновесного излучения абсолютно черного
тела, вычислить, какой температуре соответствует найденное положение максимума энергии
в спектре. Подсчет приведет нас к ответу: 5700 градусов. Вот как нагрето солнечное
«одеяло»!
ЭЛЕКТРОНЫ-ПРЫГУНЫ
Каждое мгновение Солнце шлет нам длинную, с великим множеством знаков, депешу.
В ней — подробнейшие протоколы не только о температуре, но и о химическом составе
поверхности светила, о движении раскаленных газов, о состоянии их атомов. Но депеша эта
— шифрованная. Разгадать ее не так-то просто. Уже почти столетие ученые читают эту
непрерывно продолжающуюся, бесконечно длинную телеграмму. Сперва читали ка ощупь,
«по складам», потом разгадали секреты солнечного «языка» и научились читать быстро и
уверенно.
Что же это за депеша?
Тот же солнечный спектр.
Приглядевшись к радужной полоске, мы убедимся, что она словно рассечена на
множество кусочков—перерезана тонкими и толстыми, казалось бы, совершенно
беспорядочно расположенными линиями. Их впервые заметил внимательный глаз немецкого
оптика Фраунгофера, и с тех пор они носят имя фраунгоферовых. Эти линии и представляют
собой знаки солнечной депеши.
Чтобы понять причины их возникновения, вернемся ненадолго в мир атомов.
Как атомы поглощают свет?
Так же, как и излучают: определенными порциями — фотонами.
Но атом улавливает далеко не всякие фотоны. Он способен «усвоить» лишь те из них,
которые сам может излучить. «Питаюсь тем, что рождаю» — вот его правило,
продиктованное своеобразием законов микромира.
Возьмем тот же атом водорода. Единственный его электрон может двигаться лишь по
ограниченному числу путей — орбит, отстоящих на разных расстояниях от ядра. Движение
электрона по определенной орбите соответствует определенному запасу энергии в системе
атома. Чем дальше находится орбита от ядра, тем, естественно, больше этот запас. И
меняется он не непрерывно, а скачками.
Одухотворим на минутку микромир.
Вот к атому подлетает фотон и предлагает проглотить себя.
«А какая у тебя энергия?» — осведомляется атом.
«Столько-то электроновольт».
«Слишком мало. Этого не хватит, чтобы мой электрон перескочил даже на самую
близкую орбиту от основной».
Разочарованный фотон улетает. Но его вскоре сменяет другой — с энергией побольше.
Однако и на этот раз атом отказывается от предложения проглотить порцию света:
«У тебя энергия слишком велика. Зарядившись ею, мой электрон перескочит через
ближнюю орбиту, но не допрыгнет до следующей».
Наконец прилетает фотон с энергией, которая как раз подходит для перескока
электрона на вторую орбиту. И атом проглатывает этот фотон. Энергия его передается
электрону, тот «прыгает вверх», попадает точно на верхнюю орбиту и застревает там.
Но на «втором этаже» электрон обычно живет недолго. Вскоре стремление к
устойчивости заставляет его соскользнуть «вниз», на «прочное» и «насиженное» место в
«первом этаже». А освобождающуюся энергию атом излучает в виде точно такого же
фотона, какой он только что поглотил.
Ну, а что произойдет, если в атом врежется фотон очень высокой энергии — большей,
чем нужно для прыжка электрона на самую далекую орбиту? Проглотит ли атом такой
фотон?
Да, может проглотить, но ценой потери электрона. Получив слишком большую
энергию, электрон выпрыгнет прочь из атома и обретет свободу.
Уяснив эти своеобразные особенности взаимодействия атомов -и света, мы сумеем
понять наконец, как получается шифрованная солнечная депеша.
РАЗГАДКА ШИФРА
Поверхность солнечного шара представляется нам состоящей из ослепительно
сверкающей материи. Кажется, зачерпнешь каким-нибудь фокусом ковшик солнечного
вещества, донесешь до Земли — и будет сиять эта капля Солнца, расточая вокруг свет и
тепло.
Нет, не будет, даже если вы доставите ее в фантастически нетеплопроводном и
герметическом термосе.
Вещество наружных слоев солнечной фотосферы — внешней светящейся оболочки
светила—гораздо разреженнее и прозрачнее, чем наш земной воздух. А светится фотосфера
потому, что уж очень она обширна. Непрозрачным и сверкающим слой ее становится при
огромной толщине.
Как же ведут себя атомы фотосферы, как сказывается в ней это сочетание прозрачности
и непрозрачности?
Из глубин светила к фотосферным атомам идет могучий лучистый поток. Его
составляют главным образом фотоны очень высоких энергий — настолько высоких, что
каждый поглощающий их атом лишается одного, а то и нескольких электронов.
И вот летают взад-вперед свободные электроны и лишенные части электронов атомы—
ионы. Но разлука их длится недолго. При первой возможности ион пополняет свой
поредевший электронный отряд — втягивает на опустевшие орбиты встречные свободные
электроны. Происходит, как говорят физики, рекомбинация ионов,
Как всегда, переход физической системы в устойчивое состояние сопровождается
выделением энергии. При воссоединении электронов с ионами испускаются фотоны, причем
самые разнообразные. Ведь энергия излученного таким способом фотона в большой мере
зависит от скорости относительного движения электрона и иона, а она меняется в широких
пределах. Сильнее удар соединившихся частиц—выше энергия фотона; слабее удар— и
возникает менее энергичный фотон.
Добавим еще, что излучение фотонов разнообразных энергий происходит и помимо
рекомбинации ионов—при простом торможении быстро летящих электронов, когда они
сталкиваются между собой или с атомными ядрами.
Нам остается вспомнить, что фотоны разных энергий соответствуют свету разных длин
волн, то есть разных цветов. Стало быть, при бесчисленных рекомбинациях и торможениях
электронов в фотосфере должно возникать яркое свечение, обладающее набором всех
цветов— непрерывным спектром. А это и есть та самая радужная полоска солнечного
спектра, что помогла нам узнать температуру поверхности светила.
Но радужная полоска пересечена фраунгоферовыми линиями.
Теперь нетрудно разгадать и их сущность.
Фраунгоферовы линии — тоже результат поглощения атомами фотонов, но только не
слишком высоких энергий, а тех сравнительно слабеньких световых пуль, которые
возникают в основном при рекомбинациях ионов.
Из бесчисленного обилия разнообразных фотонов атомы выбирают подходящие для
себя и поглощают их. Правда, они тут же стреляют точно такими же фотонами. Но вот что
важно: «выстрелы» эти направлены не вперед, а куда угодно — в любую сторону.
Что же получается?
Благодаря значительной прозрачности фотосфера к нам доходит световой луч,
зародившийся далеко в ее глубине. По пути встречные атомы фотосферы выдергивают из
него фотоны определенных энергий и «выстреливают» их в сторону. Поэтому к нам
солнечный луч добирается уже порядочно выщипанным. Разложив его в спектр, мы видим
провалы — недостаток фотонов тех энергий, которые поглощены встречными атомами. Эти
провалы и есть темные фраунгоферовы линии.
ФОТОННОЕ МЕНЮ
Если бы люди ели только те блюда, которые готовит их национальная кухня, то по
обеденному меню было бы легко определить национальность человека.
Скажем, вы попросили в столовой суп харчо — значит, вы грузин. Ваш приятель
заказал кофе по-варшавски — значит, он поляк.
В нашем мире так бывает, разумеется, далеко не всегда. Азербайджанцы с
удовольствием едят украинский борщ, а украинцы — азербайджанский суп пити.
Другое дело — в мире атомов.
Где бы ни находились атомы — на Земле, на Солнце, в межзвездном пространстве —
они строго придерживаются своей «национальной кухни». «Питаясь» светом, они
поглощают всегда один и тот же ассортимент фотонов. А зависит этот ассортимент от
внутреннего строения атома, от размещения электронных орбит.
В атомах разных химических элементов размещение таких орбит неодинаково. Стало
быть, и фотонное «меню» у них разное. Например, водородный атом не проглотит того
фотона, который жадно схватит атом лития. Наоборот, водород может не отказаться от
фотона, «несъедобного» для лития.
В физических лабораториях ученые в совершенстве исследовали фотонный «рацион»
различных элементов. И теперь по световому «меню» вещества можно достоверно узнать его
химический состав. На этом основан мощный метод научной разведки — знаменитый
спектральный анализ, зародившийся еще 100 лет назад.
Фраунгоферовы линии спектра Солнца — это протокол трапезы атомов, фотосферы.
Наложение линий точно показывает, какие фотоны «высосаны» из светового луча, а
следовательно, какие химические элементы это сделали. Интенсивность же фраунгоферовых
линий дает некоторое представление и о том, сколько тех или иных атомов участвовало в
солнечном пиршестве, или, другими словами, каково относительное содержание различных
элементов в наружной оболочке светила.
Вот итоги спектральных исследований вещества солнечной атмосферы.
Больше всего там водорода.
10 тысяч водородных атомов приходится на один атом тяжелых элементов.
Следующим идет гелий, которого примерно в пять раз меньше, чем водорода. Кстати говоря,
именно благодаря спектральному анализу этот газ был открыт на Солнце на четверть века
раньше, чем на Земле (от этого он и получил свое название: гелий по-гречески означает
«солнечный»).
Водород и гелий вместе составляют по объему 99,93 процента солнечной атмосферы.
Затем следуют кислород, азот, углерод, потом магний, кремний, железо, сера и многие
другие элементы. Даже золото найдено на Солнце — правда, в совершенно ничтожном
количестве.
Видите, какие ценные сведения открываются после расшифровки солнечной «депеши».
Да только ли химический состав и температура Солнца записаны в полосатой радужной
полоске!
Анализ линий солнечного спектра рассказывает астроному о движении раскаленного
вещества фотосферы, о влиянии громадного солнечного тяготения, о вращении
газообразного солнечного тела. Много нового открывает спектральный анализ невидимых
ультрафиолетовых и инфракрасных лучей Солнца, исследование радиоволн, идущих с
солнечной поверхности.
Теперь, познакомившись с наружной солнечной оболочкой, мы уже более или менее
готовы заглянуть и под нее. Пора наконец вплотную взяться за решение задачи о
неимоверной лучистой силе недр Солнца.
Какими исходными данными располагает наука для разгадки этой вековой тайны?
Подводя итог всему, что вы прочитали до сих пор в этой книге, перечислим
главнейшие из этих данных.
Солнце, находящееся от нас в 150 миллионах километров, представляет собой
грандиозное шаровое скопление раскаленного газа диаметром в 1400 тысяч километров и
массой в 2,25 • 1027 тонн.
Каждую секунду солнечная поверхность выбрасывает наружу 3,7 • 1033 эргов энергии.
И примерно на этом уровне лучеиспускание сохраняется уже миллиарды лет.
Атмосфера светила раскалена до 5700 градусов.
Больше всего в поверхностных слоях Солнца водорода и гелия.
В солнечных глубинах, бесспорно, идут ядерные процессы. Только они способны
создать достаточное обилие энергии.
Таковы условия задачи.
Требуется узнать, что происходит в недрах Солнца, какими путями рождается его
лучистая сила.
Не думайте, впрочем, что даже сейчас будет легко ответить на такой вопрос.
2. ПРАВО СИЯТЬ
МЯЧ С ОТОПЛЕНИЕМ
Юный спортсмен уселся возле печки и надувает только что купленный волейбольный
мяч. Натужился, раскраснелся, из последних сил посылает в резиновую камеру добавки
воздуха. И вот уже мяч тугой, крепкий. Уронишь— подпрыгнет до потолка!
«Хорош», — решает его хозяин и бежит во двор.
Но там его ждет разочарование.
Мяч быстро становится мягким и прыгает совсем плохо.
«Видно, спускает», —думает наш,спортсмен и бежит домой, чтобы отыскать в камере
дырочку и сделать заплатку.
Однако дома мяч будто снова сам надувается.
Что за диво!
Никакое не диво.
Если бы юный спортсмен не зевал на уроках физики, он не стал бы надувать мяч в
теплой комнате, да еще возле печки. Ведь играть-то приходится во дворе, а там холоднее,
чем в доме. Воздух в мяче охлаждается — значит, молекулы его движутся не столь быстро,
не так сильно ударяют изнутри в стенки камеры, слабее ее распирают.
Газовое давление тесно связано с температурой.
А теперь давайте, вопреки правдоподобию, допустим, что волейбольное состязание
должно состояться где-то в Антарктике, при температуре 70 градусов холода. Вдобавок
игроки потеряли насос. Ртом же без риска для жизни мяч можно надуть только в помещении.
Как же на лютом морозе уберечь мяч от потери упругости? Средство есть. Внутри него надо
устроить... отопление. В самом деле, стоит поместить там какую-нибудь миниатюрную
электропечку, питающуюся от компактной батарейки, — и задача решена. Воздух в камере
станет снаружи остывать, а изнутри — подогреваться. Если подогрев окажется столь же
интенсивным, как и остывание, то температура воздуха в мяче не будет снижаться и
упругость останется неизменной.
Солнце, оказывается, имеет некоторое сходство с нашим отапливающимся мячом. Как
и внутренность мяча, Солнце представляет собой шарообразное скопище газа. Правда, оно
не окружено внешней оболочкой. Но есть сила, сдерживающая солнечное вещество, —
тяготение.
Тяготение стремится сжать Солнце, превратить его в маленький плотный комок.
Однако этой силе упорно противостоит газовое давление, рожденное, как и в нашем мяче,
теплотой, высокой температурой. Газовое давление, наоборот, стремится раздвинуть
солнечное вещество вширь.
Мы знаем, что Солнце не сжимается и не расширяется.
Значит, единоборство газового давления и тяготения оканчивается ничейным
результатом.
Светило находится в равновесии.
В мяче газовое давление одинаково по всему объему.
А в Солнце? Конечно, нет.
В недрах, где сказывается тяжесть вышележащих слоев, оно гораздо выше, чем на
поверхности.
Теперь вспомним, что увеличение газового давления связано с повышением
температуры.
Стало быть, в глубинах светила вещество разогрето сильнее, чем на поверхности.
Изложив все эти рассуждения языком математических формул, учтя закон тяготения,
массу и размер Солнца, можно довольно точно оценить температуру солнечных недр.
Сделав расчеты, физики убедились, что в самых далеких глубинах светила она
достигает примерно 13 миллионов градусов.
МНИМЫЙ ЗАПРЕТ
Нам, с трудом переносящим сорокаградусную жару, просто немыслимо представить
себе температуру солнечных глубин.
При 13 миллионах градусов нет ничего похожего на обычное земное вещество. Нет ни
твердых тел, ни жидкостей, ни даже привычных нам газов. Развивая колоссальные скорости
беспорядочного теплового движения атомы вдребезги разбивают свои электронные
оболочки и теряют электроны. Поэтому глубинный солнечный газ представляет собой
вещество, состоящее из электрически заряженных частиц. Это так называемая плазма. Она,
кстати сказать, «гуще» обычного газа (взамен каждого атома получается несколько частиц —
«голое» атомное ядро и электроны). В недрах светила плазма настолько сжата тяжестью
вышележащих слоев, что весит в несколько раз больше свинца. Но вот к какому выводу
пришли сначала физики. Даже при столь тесном взаимодействии частиц атомные ядра
должны, казалось бы, оставаться неприкосновенными. Электрическое поле положительного
заряда так сильно расталкивает их в разные стороны, что они на первый взгляд не способны
не только ударяться друг о друга, но и подходить на близкое расстояние.
Получается удивительно странное заключение: как будто бы солнечные недра —
неподходящая среда для ядерных реакций.
Казалось бы, не спасает положения и то, что в редких случаях из-за особо сильных и
частых толчков, направленных в одну сторону, плазменные частицы вдруг приобретают
колоссальные скорости — в сотни и тысячи выше средней. Даже столь стремительно
мчащиеся ядра не могут, по обычным представлениям, пробить собственную электрическую
броню.
Как же разрешить это противоречие? Ведь энергия Солнца может быть только ядерной,
а ядерные процессы в его недрах, выходит, запрещены!
Не тревожьтесь. Запрет этот — мнимый. Он наложен классической физикой —
любительницей всякого рода тупиков и порочных кругов. И он снимается подлинным
«законодателем» микрочастиц и микропроцессов — квантовой механикой.
В этой важнейшей отрасли физики нам пришла пора разобраться поподробнее.
КОНСТИТУЦИЯ МИКРОМИРА
Мы уже не раз сталкивались с поразительным своеобразием поведения мельчайших
частиц. Атомы передают друг другу энергию не непрерывным ручейком, а непременно
отдельными, строго отмеренными порциями. Электроны движутся в атомах не где попало, а
всегда по неизменным путям — орбитам. Атомные ядра связываются каким-то
невообразимым мезонным обменом. Свет ведет себя и как волны и как частицы...
Спору нет, удивительные вещи!
Но мы не вкусили еще, пожалуй, самых парадоксальных «чудес» микромира.
В чем они заключаются?
Раньше всего расскажем вкратце об основе основ квантовой механики — так
называемом «соотношении неопределенностей», которое вывел немецкий физик Гейзенберг.
Перенесемся сначала в идеально тихую комнату, где не шелохнется воздух, куда не
доходят извне никакие, даже самые слабые толчки, шорохи, звуки. В этой комнате мы
стреляем из лука по мишени.
Ничто непредвиденное нам не мешает. Зная начальное положение стрелы, ее вес,
форму, учтя силу натяжения тетивы и плотность воздуха, можно в принципе добиться самой
меткой стрельбы. Методы классической механики дают возможность перед выстрелом
идеально учесть все начальные условия и с любой точностью заранее рассчитать путь
летящей стрелы.
А теперь призовем на помощь волшебника, который, правда, сыграет чисто подсобную
роль: удалит из нашей тихой комнаты абсолютно весь воздух, выдаст нам кислородные
приборы, наделит нас способностью мгновенно соображать и делать математические
расчеты, а вместо лука и стрел предложит нам фантастический «пистолет» стреляющий
электронами.
Мы опять хотим стрелять без промаха и стремимся идеально вычислить путь полета
частицы. Вооружившись приборами, стараемся точно зафиксировать положение и скорость
электрона, когда он вылетает из дула «пистолета».
И тут оказывается, что у нас ничего не выходит. Электрон словно ускользает от
измерений. Если нам удалось узнать, где он, абсолютно невозможно выяснить с нужной
точностью как скоро он движется. Наоборот, если мы определим его скорость нам стало
недоступно его точное местонахождение.
То хвост застрял, то нос увяз!
И как мы ни совершенствуем свои приборы сколько измерении ни делаем, электрон
упрямо не желает сообщать одновременно обе основные характеристик своего движения:
местонахождение и скорость. «Пожалуйста словно говорит он, - измеряйте что-нибудь одно,
а второе пусть уж останется в некоторых пределах нёопределенным. Иначе я не могу, такова
уж моя природа».
В этом-то и заключается сущность главного закона микромира - соотношения,
найденного Гейзенбергом.
Количественно оно выражается неравенством :
Как видно из неравенства, уточнение координаты неизбежно влечет за собой
«расплывание» импульса. И, скажем, если ∆x
ничтожно мала (координата определена
весьма точно), то ∆p чрезвычайно велика (импульс весьма неопределенен).
* 1Ради простоты в предыдущих рассуждениях мы говорили не об импульсе, а о
скорости микрочастицы. Это допустимо, ибо масса частицы вносит лишь количественные
изменения и не влияет на качество процесса.
Вот вам основной закон — «конституция» микромира.
ЧАСТИЦЫ И СРЕДА
Как же все-таки объяснить необычное поведение электрона?
Много лет бьется наука над этой загадкой. Немало было горячих дискуссий,
высказывались самые различные предположения.
Идеалистически настроенные ученые выдвигали нелепейшие домыслы: о
принципиальной непознаваемости взаимодействия электрона с регистрирующим его
прибором, о «свободе воли» частицы, ее мнимой способности «скрывать» свое состояние и
самостоятельно выбирать путь движения. Все это, разумеется, не решает задачу, а ведет
попросту к отказу от решения. Наука подменяется мистикой.
Не мудрено, что физики-идеалисты и здесь заходят в тупик, докатываются даже до
разговоров о границах познания, о божественной таинственности микромира.
Подлинно научные причины своеобразия поведения электронов ищут ученыематериалисты.
Ни у кого не вызывает сомнений, что микрочастицы по сущности своей мало похожи
на крупные тела, знакомые нам из повседневной жизни, — такие, скажем, как
артиллерийские снаряды. Снаряд мыслится совершенно независимым от пространства, в
котором он находится. Движение его может быть целиком определено первоначальным
толчком. Дальше ему ничто не мешает — во всяком случае, в пространстве, освобожденном
от воздуха.
Иное дело — электрон. Как и любая микрочастица, он, очевидно, теснейшим образом
связан с окружающим пространством. Такое воззрение в последние годы нашло веские
подтверждения и в теории и на опыте. Найдены доказательства того, что в природе вообще
не существует абсолютной пустоты. Реальное пространство, пусть даже совершенно
лишенное вещества, представляет собой наслоение всякого рода силовых полей и, как
показывают тончайшие измерения, словно непрерывно трепещет. «Пустота, вакуум, —
пишет советский физик Д. И. Блохинцев, — это не покой, а вечное движение, подобное зыби
на поверхности моря».
Но если так, то микрочастицы просто невозможно изолировать от воздействия среды,
как мы охраняли от посторонних толчков стрелу в нашей тихой комнате. Да и сами
микрочастицы представляют собой, вероятно, неотъемлемую часть этой среды,
«возбуждения» реального физического пространства. Используя меткий образ одного
физика, можно сказать, что микрочастицы, двигаясь и взаимодействуя в пространстве, не
въезжают в готовую квартиру, а сами строят себе дом. Видимо, где-то здесь и скрыта
причина их необычного поведения.
Изложенный взгляд многим материалистически настроенным ученым представляется
наиболее правдоподобным. Справедлив ли он на самом деле, покажет грядущее развитие
науки. Нет никакого сомнения в том, что своеобразное поведение микрочастиц найдет со
временем исчерпывающее истолкование. А пока наука принимает бесспорные
экспериментальные факты и строит на их основе дальнейшие выводы.
ВОЛНЫ ВЕРОЯТНОСТИ
Итак, выстрелив электроном по мишени, мы не сумеем заранее вычислить, в какое
именно место цели он попадает. Частица может оказаться и в центре мишени, и с краю, и
даже в самых, казалось бы, неподходящих местах — например, где-нибудь далеко сбоку.
Попробуйте-ка представить себе охотника, который, прицелившись в летящую утку,
убивает крота в норе.
Немыслимо!
Между тем нечто подобное допускается законами микромира.
Но тогда уместен вопрос: какие же это законы? Ведь это сплошная случайность, какаято анархия природы!
Нет, это все-таки вполне надежные законы, но законы вероятностные. Принципиально
не располагая точными начальными условиями, квантовая механика знает и учитывает
своеобразие их неточности. Эту возможность ведь и открывает соотношение
неопределенностей. А дальше следуют вычисления возможных путей процесса. Одни
оказываются более вероятными, другие — менее вероятными, третьи—вообще практически
запрещенными.
Такой метод приложим, в частности, и к «стрельбе» электронами. Квантовомеханическим расчетом можно предсказать, куда частица попадет с определенной
вероятностью. И если электронов очень много (а так всегда и бывает), то удается весьма
точно предвидеть, как они распределятся по цели при «стрельбе».
И вот что интересно: квантовомеханические вероятности весьма мало похожи на те, с
которыми мы встречаемся в обыденной жизни, — скажем, при учете случайных ошибок в
стрельбе по мишени.
Вот характерный пример.
Послав пулеметную очередь в маленькое окно (отвесно к стене), мы убеждены, что
пули с самой большой вероятностью попадут в противоположную стену как раз против окна.
С меньшей вероятностью они окажутся чуть-чуть рядом и т. д.
А как поведут себя не пули, а электроны, пущенные отвесным пучком в подобное окно
(разумеется, достаточно маленькое)?
Электроны распределятся по противоположной стене на первый взгляд совершенно
непонятным образом — концентрическими кругами! Правда, скорее всего, они, как и пули,
ударятся о стенку точно против окна. Но немного подальше от центрального пятна появится
кольцо, в котором не будет ни одного электрона. Зато потом следует резкое увеличение
вероятности попадания, затем снова провал ее, опять подъем, опять провал и т. д. Получится
картина, которую физики называют кольцами электронной дифракции. Подобным способом
проходят через узкие отверстия и электроны, и протоны, и нейтроны, и фотоны—все
«граждане» микромира.
Меняя энергию частиц в пучке, мы изменяем размещение кругов. Чем выше энергия,
тем круги резче и компактнее собраны; при малой же энергии они как бы разъезжаются и
размазываются.
Изучив картину «простреленной» микрочастицами мишени, мы заметим одно
удивительное сходство: оказывается, подобными же концентрическими кругами
распространяются, пройдя через маленькую дырочку, обыкновенные упругие волны —
например, ультразвуковые. Но с волнами положение ясное. За дырочкой они в разных местах
то гасят друг друга, то складываются и усиливаются — создают так называемую
дифракционную картину.
Получается, что к давно подмеченному нами факту своеобразия света, который ведет
себя то как волны, то как частицы, добавляется новый факт: частицы ведут себя словно
волны.
Как это понять, что это за волны?
Принимая во внимание сказанное несколькими строками выше, мы можем ответить:
специфика микромира заключается в том, что наши квантовомеханические вероятности
распределяются подобно распространению волн. Микрочастицы движутся, послушные
волнам вероятности!
Это заключение подтверждается огромной совокупностью экспериментов,
наблюдений. На нем же строится математическая логика сложной и тонкой квантовой
теории.
Как мы теперь видим, квантовая механика — не что иное, как наука о вероятностях
микропроцессов. И итоги ее дали физикам ключ к четкому пониманию многих странностей
микромира. С нею мы можем наконец уяснить противоречивую сущность света. Не будет
ошибкой сказать: в микромире свет есть поток частиц, фотонов, но проходящий через узкую
щель по волновым вероятностным законам.
Волны вероятности — хозяева атома. Это они указывают разрешенные орбиты
электронам, устанавливают «фотонное меню», командуют ионизацией. А сейчас мы
расскажем о самой, пожалуй, любопытной сфере их деятельности.
ЛЫЖНИКИ-КУДЕСНИКИ
Давайте опять займемся спортом — на этот раз лыжным и даже горнолыжным.
Спортсмен скатывается с горы. Лыжи скользят отлично, и он птицей слетает вниз. Но
впереди еще гора — более высокая. Лыжник с разгону поднимается до половины ее высоты,
однако в конце движется все медленнее. Энергия разгона иссякает. Вот он остановился.
Видимо, ему придется подниматься до перевала собственными усилиями?
Ничего подобного!
Он вдруг словно входит в гору, просачивается через нее насквозь и спустя мгновение
тихонько съезжает вниз по ее противоположному склону!
Что это, волшебство?
Нет. Лыжная прогулка совершается в микромире, а там подобные чудеса разрешены
законами природы, выводами квантовой механики.
Все дело снова в волнах вероятности.
Взамен классической вполне достоверной невозможности появляется неполная
невозможность, маловероятность. Оказаться по ту сторону горы, не поднимаясь на ее
вершину, для микролыжника примерно то же самое, что электрону, прошедшему сквозь
узенькое окошко, оказаться на дифракционной картине где-то сбоку, в месте, недопустимом
для «классической» пули.
Словом, если вы примете гражданство микромира и ваши микросограждане попросят
вас перепрыгнуть через четырехэтажный дом, то вы не сможете заявить: «Я не сумею
перепрыгнуть».
Вам придется сформулировать ответ так:
«Я, вероятно, не сумею...»
И с какой-то долей вероятности вы все-таки перепрыгнете — причем без больших
усилий, как бы плавно перенесетесь через дом. Ради наглядности мы говорим «перенестись
через дом», «просочиться сквозь гору» и т. д. На самом деле квантовая механика не
занимается тем, как преодолевается непреодолимое. Устанавливается лишь самый этот факт.
Впрочем, медаль, как всегда, имеет две стороны.
Если вас попросят перескочить через детскую веревочку-скакалку, не обещайте сделать
это наверняка. Неумолимая квантовая механика и здесь стоит на страже. Она заставит вас
сказать:
«Возможно, я перепрыгну через веревочку, а быть может, и нет».
Точно так же микролыжник, съехав с громадной горы, иной раз не способен взлететь с
разгону на маленький холмик.
А вот еще один удивительный эффект игры волн вероятности — квантовый резонанс.
В микромире порой случается, что преодолеть многоэтажный дом легче, подпрыгнув
до уровня, скажем, его второго этажа, чем до уровня пятого. Микролыжник иногда с
большей вероятностью просачивается через подножие горы, чем через ее верхнюю часть.
Правда, такая возможность — редкость. Общая тенденция сводится к правилу: ближе к
вершине проскользнуть через гору легче. Но и резонанс играет немалую роль.
Теория всех этих явлений настолько сложна и тонка, что в нашей популярной книге
вряд ли стоит пытаться ее разъяснять дальше. Раз уж мы примирились с кольцами
электронной дифракции, нам приходится согласиться и с другими явлениями подобного
рода.
К ним относится и загадочное поведение лыжников, и удивительные этажи квантового
резонанса. Утешаться можно разве тем, что даже крупнейшие физики-теоретики, приняв и
признав подобные факты, обобщив их в остроумной теории, не в состоянии пока
вразумительно истолковать их смысл. По господствующему мнению, в рамках обыденных
представлений сущность квантовой физики объяснить вообще невозможно. Но мы все же
рискнем сделать еще одно сопоставление, которое хоть и не разъяснит ничего, но, быть
может, немного успокоит читателя.
В повседневной жизни мы на каждом шагу сталкиваемся с преодолением преград без
их разрушения. В самом деле, слабенький звук проникает через метровые каменные стены,
оставляя их совершенно неизменившимися. Вместе с тем никакой, пусть самый мощный,
звуковой сигнал не способен целиком пройти через преграду. Даже тончайший лист бумаги
отражает немного звуковых волн. Наконец, еще один факт, особенно знакомый завзятым
театралам: иногда в театре, сидя близко к сцене, мы слышим артистов хуже, чем с более
далекого места. Получается, что большая толща воздуха порой лучше «пропускает» звук,
чем меньшая.
В подобных явлениях, имеющих сходство с «чудесами» наших микроспортсменов, нет
ничего странного, противного законам природы. Все они находят исчерпывающее
объяснение в науке о звуке — акустике, изучающей распространение упругих колебаний.
Но ведь квантовомеханические вероятности тоже послушны волновым законам! Стало
быть, ничего не поделаешь. Микрообъекты послушно выполняют то, что им предписано
своеобразием микромира. Движение их соответствует наложению, усилению и ослаблению
волн квантовомеханических вероятностей.
«Ну ладно,—с неохотой скажет читатель. — Пусть будет так. Но зачем все-таки
понадобилось говорить об этой цепочке парадоксов со снежными горами, лыжникамичудотворцами и чудаками, прыгающими через дома? Ведь наверняка в микромире нет ни
того, ни другого, ни третьего».
Ошибаетесь. Нечто подобное там существует.
СКВОЗЬ НЕПРОНИЦАЕМОЕ
В положении лыжников-кудесников, окруженных высокими горами, оказываются
заряженные частицы, находящиеся в атомных ядрах или приближающиеся к ним.
Внутренние склоны гор — это короткодействующие ядерные силы, которые удерживают
частицы рядом (лыжники скатываются к центру горного кратера). Наружные же склоны —
силы электростатического отталкивания. Попав в сферу их действия, положительно
заряженные частицы отбрасываются от ядра (лыжники скатываются по наружному склону
прочь от центра).
Эта «горная гряда» силовых полей носит название потенциального барьера. А
проникновение через него частиц с энергией, недостаточной для достижения наивысшей
точки барьера, именуется подбарьерным переходом или «туннельным эффектом».
Стоит отметить, что это название хоть и образное, но неточное. Никакого туннеля при
туннельном эффекте не возникает. В том-то и штука, что барьер остается
неприкосновенным, словно стеклышко, пронизываемое лучом света.
Именно такой подбарьерный переход постоянно реализуется у тяжелых атомных ядер
при их альфа-радиоактивном распаде.
Как это удалось доказать? Почему известно, что переход альфа-частиц именно
подбарьерный, а не обычный— «надбарьерный»? Это доказал опыт.
Энергия выпущенной ядром альфа-частицы всегда «слишком мала». Если бы частица
разгонялась во всей области действия отталкивающих электростатических сил ядра на
наружном склоне потенциального барьера, ее энергия была бы гораздо больше, чем в
действительности. Но ведь скорость микролыжника-кудесника, скатившегося через
«туннель», тоже меньше, чем если бы он скатывался «честным путем» — с самой вершины
горы.
Стало быть, альфа-частица удирает из ядер «жульническим», с позиций классической
физики, способом. Узник уходит из тюрьмы сквозь стены, оставив их нетронутыми!
Добавим еще, что альфа-распад, как и вообще радиоактивность, несет в себе черты
обычной для микромира неопределенности. «Побег» альфа-частицы из ядра сквозь
потенциальный барьер совершается не в какой-то точный, заранее известный момент, а
«когда угодно», в рамках определенного промежутка времени. Пояснить это можно,
вспомнив соотношение Гейзенберга. Пребывание частицы в ядре соответствует ее
локализации, уточнению ее местоположения. Следовательно, импульс частицы там
неопределенен. Невозможно предсказать, когда он получит то или иное значение. Частица
как бы беспорядочно тычется в броню ядерных сил и в конце концов находит в ней
«лазейку», «туннель» (только надо помнить, что на самом деле никаких «туннелей» нет,
частица просто «дожидается своей очереди» и свершает «чудо» лыжника-кудесника).
Методы квантовой механики позволяют определить время, в течение которого
«лазейка» будет отыскана обязательно. Но более точно сказать ничего нельзя, ибо «поиски»
ведутся крайне бессистемно. Процесс подобен беспроигрышной лотерее, выпущенной на
известный срок. За столько-то лет лотерейный билет выигрывает наверняка, но когда именно
— неизвестно.
РАЗРЕШЕНИЕ ДАНО
Мы приняли к сведению, что альфа-распад представляет собой разрыв неразрушимых
оков с целью бегства.
Но нас должен больше интересовать другой эффект: преодоление непреодолимых
преград с целью воссоединения. Ведь именно этой возможности мы добиваемся, стремясь
снять нелепое запрещение Солнцу светить, наложенное классической физикой.
Что ж, теперь этот запрет рушится сам собой.
Въезжать-то на горы нашей кольцевой гряды можно с любой стороны — не только
изнутри, но и снаружи!
Мы помним: разогнавшись при огромной температуре солнечных недр, мчащиеся
навстречу ядра натыкаются на электрическую броню взаимного отталкивания и тормозятся
ею. Казалось бы, сблизившиеся ядра не в силах пройти крохотный, но самый трудный
остаток пути друг к другу. Словно два лыжника въезжают на гору с противоположных
склонов и не могут доехать до вершины. Но ведь это микромир, обиталище спортсменовволшебников! Не достигнув вершины, они способны без затрат энергии устремиться один к
другому прямо через гору. Вот так же и ядра, разделенные непроходимой по толщине и
прочности стеной электрического поля, могут просочиться сквозь нее, сблизиться вплотную
и вступить в непосредственное взаимодействие.
Конечно, это происходит не всегда. Как и в случае альфа-распада, сблизившиеся
частички сначала принимаются беспорядочно «тыкаться» в электростатический барьер.
Сходятся вместе они лишь, если успеют найти «лазейку» очень быстро — до того, как их
разгонит в разные стороны электрическое отталкивание. И здесь тоже разыгрывается
своеобразная «лотерея». Но чем ближе оказываются ядра, тем вероятнее их соединение.
Имеет значение и упомянутое нами явление резонанса.
Что ж, ценой немалых трудностей мы наконец добыли Солнцу право на жизнь.
Запрет с ядерных реакций в его недрах снят.
Свети, светило, в оба!
Теперь посмотрим, каким образом реализует Солнце полученное разрешение.
3. ЯДРА СЛИВАЮТСЯ
СНАРУЖИ И ВНУТРИ
Английский астрофизик Литлтон заметил как-то: «Если кто-нибудь считает, что может
найти относительные содержания элементов в звезде, исходя из состава ее атмосферы, то он
с таким же успехом может полагать, что трубочист сделан из сажи».
Печальная шутка.
Выходит, что блестящие успехи спектрального анализа, разгадавшего химию
солнечного одеяла, ничего не дают для познания состава солнечных недр?
В какой-то мере это соответствует действительности. Поверхность светила может
представлять собой нечто вроде накипи на супе или пыли на портрете. Либо изнутри, либо
извне на нее могут попадать излишки веществ, не характерных для солнечных глубин.
Впрочем, положение не так уж безнадежно, как кажется на первый взгляд.
В последнее время удалось доказать, что снаружи Солнце едва ли способно
«запылиться». Вещество межзвездной среды гораздо чаще отбрасывается давлением
солнечных лучей и очень редко падает на светило. Что же касается «накипи», то по ней
опытный химик, посоветовавшись с опытным физиком, очевидно, сумеет определить и
состав «супа».
Еще важнее другое соображение.
Солнце более или менее интенсивно перемешивается. Об этом свидетельствуют хотя
бы протуберанцы — гигантские фонтаны на его поверхности.
Правда, наука до сих пор не разгадала полностью механизма такого перемешивания.
Его не объяснишь простой конвекцией (перемещением вещества, подобным движению воды
в нагревающемся чайнике). Как показывают расчеты, конвекция в солнечных недрах идет
чересчур медленно. Мало вносит и явление диффузии (проникновение частичек одного
вещества внутрь другого — например, распространение в воздухе аромата цветка). Однако
сам факт перемешивания солнечного газа не вызывает сомнений, и разгадка причин этого
явления — дело недалекого будущего.
Во всяком случае, если какие-то вещества в большом количестве находятся на
поверхности светила, их, несомненно, должно быть немало и в его недрах.
Самый распространенный элемент солнечного одеяла, как указывает анализ
фраунгоферовых линий, — водород.
И мы можем без всякой натяжки предположить, что тот же водород — обильнейшая
составная часть глубинных слоев Солнца.
Недра светила наверняка насыщены водородом.
Водород — вот солнечное ядерное горючее, самый легкий из элементов, в
противоположность самому тяжелому элементу — урану, освоением которого
ознаменовалось начало атомного века на Земле.
При температуре в миллионы градусов водородные ядра, пользуясь «разрешением»
квантовой механики, могут непосредственно взаимодействовать между собой и с ядрами
других элементов.
Какие же из этих реакций сопровождаются выделением энергии?
Очевидно, те, что ведут к образованию более устойчивых ядер. Ведь мы знаем уже,
почему освобождается атомная энергия: потому что ядра атомов перестраиваются в
направлении к более устойчивым состояниям — состояниям с наименьшей потенциальной
энергией, с наименьшей массой, приходящейся на один нуклон.
Солнечные ядерные процессы нетрудно отыскать, если взглянуть на кривую,
изображенную на стр. 47.
Самые устойчивые ядра—с легчайшими нуклонами — разместились в нижней части
кривой, в ее седловине. Спуск в седловину справа соответствует делению ядер тяжелых
элементов, которое обсуждалось нами в главе «Пробужденные ядра». Именно на правой
стороне кривой взрывается атомная бомба и работает атомная электростанция.
Но ведь спуститься в седловину можно не только справа, но и слева.
Какому же процессу соответствует спуск слева?
Очевидно, уже не делению, а, наоборот, слиянию, синтезу ядер. Двигаясь слева
направо, мы переходим от менее сложных к более сложным ядрам.
В солнечных недрах мы отыскали обилие самых простых ядер — водородных. Они
помещаются на нашей кривой левее всех других. Поэтому разумно предположить, что
водородные ядра в глубинах светила соединяются с другими легкими ядрами, создавая при
этом более устойчивые комбинации частиц и выделяя энергию.
Такая гипотеза была впервые выдвинута немецкими исследователями Р. Аткинсоном и
Ф. Хаутерменсом в 1929 году — сразу же после того, как была открыта способность ядерных
частиц, вопреки классической физике, пробивать «непробиваемое» и подходить вплотную
друг к другу.
Аткинсон и Хаутерменс доказали, что, находясь в солнечных глубинах, водородные
ядра — протоны — в состоянии проникать в ядра легких элементов — от лития до азота — и
что освобождаемая таким путем энергия примерно соответствует лучистому потоку,
выходящему с поверхности светила. Казалось бы, успех крупнейший.
И все-таки эта первая гипотеза не получила широкого признания. Авторы ее не могли
сказать, какая именно из изученных ими реакций происходит в глубинах Солнца. Не было
уверенности в том, что, кроме протонов, в недрах светила существует достаточное
количество других легких ядер. Короче говоря, гипотеза выглядела смелой фантазией,
ловкой спекуляцией на недавно полученных фактах — и только. Для построения более
обоснованных взглядов потребовались новые факты, новые наблюдения, новые
теоретические изыскания. И они пришли.
В начале 30-х годов экспериментальная физика ознаменовалась рядом выдающихся
достижений. Были открыты неведомые дотоле нейтрон и антипод электрона — позитрон:
частица, во всем подобная электрону, но несущая положительный электрический заряд. В
природе удалось обнаружить уже знакомый нам тяжелый водород с ядром—дейтоном,
состоящим из протона и нейтрона. Нашлись и другие изотопы легких элементов. Наконец,
физики научились весьма точно изучать на опыте и вычислять вероятности всевозможных
ядерных реакций.
К концу 30-х годов обильный поток новых фактов был систематизирован, обобщен,
приведен в соответствие с теорией. И тогда создались условия для обоснованных суждений о
внутрисолнечных ядерных процессах, рождающих великое могущество светила. Каковы же
они?
РЕШАЮЩЕЕ ОТКРЫТИЕ
Бывают иной раз счастливые вагонные знакомства. Но, оказывается, в тесных купе
порой делаются и выдающиеся научные открытия.
Среди ученых, раскрывших давнюю загадку Солнца, в первую очередь называют
американского физика, немецкого эмигранта Ганса Бете. Основы своей теории он разработал
в 1938 году, причем, по слухам, сидя в железнодорожном вагоне, во время не слишком
длительной поездки. Рассказывают, что в разговоре с кем-то из соседей по купе ученый
пришел к мысли о том, что надо прикинуть возможные солнечные реакции. Он тут же,
между завтраком и обедом, набросал их на листе бумаги и... попал почти в самую точку!
(Мы говорим «почти», потому что впоследствии одна из предложенных Бете систем реакций
была несколько изменена.)
История эта, пожалуй, не лишена правдоподобия. Если она соответствует
действительности, то мы имеем просто лишнее подтверждение того, как много знаний
накопила к тому времени ядерная физика, как созрела она для решения давней проблемы.
Вероятно, не случайно, что именно 1938—1939 годы оказались решающими и для теории
деления тяжелых ядер.
В чем же суть реакций Бете?
В том, что водород в глубинах Солнца превращается в гелий (вы помните, что гелий —
второй по распространенности элемент солнечной атмосферы и, очевидно, весьма обильный
элемент солнечных глубин). Из четырех протонов должно получаться гелиевое ядро —
альфа-частица и значительная порция энергии. Вас не должна здесь смущать потеря заряда
(ведь ядро гелия несет вдвое меньший электрический заряд, чем четыре протона). Позднее
вы убедитесь, что потеря эта — мнимая.
Второй руководящей идеей служит предположение о том, что превращение водорода в
гелий происходит не сразу, а через промежуточные ступени.
Вот чем продиктовано такое соображение.
Акт синтеза ядер — событие в высшей степени случайное и, вообще говоря, редкое.
Оно складывается по крайней мере из двух случайностей. Во-первых, ядра обязаны обладать
определенной энергией при столкновении. Во-вторых, они должны успеть проникнуть через
броню электростатического отталкивания, прежде чем разлетятся в стороны. Могут ли такие
события произойти одновременно, особенно если речь идет о слиянии сразу четырех ядер?
Представьте себе, что четверо друзей одновременно выигрывают в лотерее по
автомобилю «Волга». Возможно это? Да. Но невероятно. И еще: четверо москвичей,
родившихся, скажем, 2 ноября и имеющих по 1427 волос на голове, не сговариваясь,
собираются в одном месте. Тоже возможное, но очень маловероятное событие.
Ну, а если всего два приятеля одновременно выигрывают в лотерею? Или всего два
незнакомых человека с одинаковым числом волос оказываются вместе? Это, конечно, более
вероятная случайность.
Теперь вам будет понятно, почему при обсуждении возможностей синтеза ядер гелия
из протонов приходится отказаться от четверных и даже тройных соударений. Реакция
синтеза здесь имеет исчезающе малую вероятность.. Остаются, стало быть, двойные
соударения. На них и строятся системы реакций.
Каковы они?
ГЛАВНЫЙ ЭТАП
Гуляет где-то под сверкающим солнечным покровом «обритый наголо», лишенный
электрона атом водорода — протон. Сталкивается со встречными частичками, схватывает,
чтобы тут же потерять, такой же, как он, вольный электрон, убегает прочь от своих быстрых
собратьев, отогнанный их электрическим полем; бывает, и сам разгоняется до бешеной
скорости несколькими случайными ударами. Нескончаемо долго длится эта суетливая
бродяжническая жизнь. Проходят столетия, тысячелетия, миллионы лет, а протон все так же
носится в жарких глубинах светила.
Лишь чрезвычайно редко приходится ему, быстро разогнавшись, встретить столь же
быстрый другой протон.
Глядишь, частички пересиливают отталкивание и оказываются совсем рядышком.
Теперь события разворачиваются молниеносно. Стремясь слиться воедино, частицы
трепещут, бестолково ищут «лазейку» друг к другу. Но поиски слишком коротки и потому
на этот раз тщетны. Электрическое поле неумолимо разбрасывает протоны.
Снова они бесцельно гуляют по солнечным недрам. Снова кончаются неудачами
сильные столкновения. Опять проходят миллионы лет. Наконец, при каком-то одном из
редчайших соударений протон благодаря счастливой случайности вовремя находит лазейку к
встретившемуся на пути собрату. Обе частички проскальзывают через потенциальный
барьер, попадают в сферу действия ядерных сил и стремительно несутся во взаимные
объятия.
Однако и теперь им не наверняка суждено остаться вместе. Возникшее образование —
дипротон — нестойко и быстро распадается на те же два протона. Правда, стремясь к
устойчивости, оно может тут же преобразовать один из своих протонов в нейтрон,
превратившись, таким образом, в стойкое ядро тяжелого водорода —-знакомый нам дейтон.
Но этот процесс — тоже вероятностный. На две случайности он накладывает третью, еще
менее вероятную, чем первые две. И если она все-таки реализуется сразу же, то свершается
первая реакция так называемого протонно-протонного цикла. Из двух протонов образуется
дейтон, причем преобразование одного из протонов в нейтрон сопровождается испусканием
положительного электрона — позитрона и неощутимо ничтожной нейтральной частички —
нейтрино. Вот символическая запись этой реакции:
В форме движения частиц — продуктов реакции. Кроме того, позитрон, встретившись
с любым электроном, как бы взрывается, и обе частицы, как говорят, «аннигилируют», то
есть их вещество целиком превращается в свет6. Любопытно, что нейтрино, уносящие
двадцатую долю всей энергии Солнца, остаются совершенно незаметными. Они
пронизывают Космос, ничем не выдавая своего присутствия, не тормозясь даже в огромных
толщах вещества.
Итак, первая написанная нами солнечная реакция совершается с каждым отдельно
взятым протоном неимоверно редко. Теория указывает, что в условиях солнечных недр
средний промежуток времени, при котором она наступает, составляет примерно 14
миллиардов лет! Это, подчеркиваем, средний промежуток времени. Протон может
воссоединиться и в первую секунду и через 100 миллиардов лет. Все зависит от стечения
обстоятельств. Опять лотерея! Но ведь недра Солнца — это неисчислимые полчища
протонов. Поэтому то там, то здесь свершается редчайшая «трехэтажная» случайность.
С неизбежностью, присущей случаю, первый этап синтеза становится
действительностью. И во всем Солнце в каждое мгновение происходит огромное количество
таких реакций.
КОНВЕЙЕР РЕАКЦИЙ
Когда на фабрике пущен конвейер, инженеры стремятся заставить его двигаться
побыстрее. Это желание понятно: скорее идет конвейер — больше продукции сходит с него
за час, за смену, за сутки.
А чем определяется скорость конвейера?
Самой длительной, трудоемкой из неразделимых операций. Пусть, например, на
конвейере по производству обуви дольше всего прибить к ботинку подошву. На каждую
такую операцию уходит минута. Значит, ботинки сходят с конвейера не чаще, чем через
минуту.
Соединение пары протонов -— самая длительная из солнечных ядерных реакций.
Поэтому именно она определяет скорость выделения Солнцем энергии.
6 Почему это происходит, вы узнаете ниже, в последней глазе этой книги.
Последующие реакции совершаются гораздо быстрее.
Образовавшийся дейтон в среднем всего через каких-нибудь 6 секунд встречается с
еще одним вольным протоном и соединяется с ним. В результате образуется ядро легкого
гелия, состоящее из двух протонов и одного нейтрона, а энергия выделяется в виде весьма
энергичной порции невидимого света — гамма-фотона. Символическая запись этой реакции
такова:
Пока таким способом возникало ядро легкого гелия, где-то в другом месте так же
образовывались подобные частицы. И в среднем через миллион лет два ядра легкого гелия
встречаются и воссоединяются. Получается ядро обычного гелия — альфа-частица, и
отщепляются два протона, которые вновь начинают свое нескончаемое странствие по
солнечным глубинам. Вот как записывают эту третью, завершающую реакцию протоннопротонного цикла:
Как видим, водород через три этапа парных ядерных взаимодействий превратился в
гелий. Таков первый «солнечный конвейер».
Могут ли существовать другие цепочки реакций?
Вы можете представить, например, что ядро легкого гелия, как и дейтон, просто
захватывает встречный свободный протон. Нет, такой исход не поведет к синтезу, ибо
комбинация трех протонов и одного нейтрона нестойкая, Маловероятны и другие
возможности. Кстати, сам Бете написал третью реакцию протонно-протонного цикла иначе,
вообще придумал ему иное, более сложное и, как выяснилось потом, гораздо менее
вероятное продолжение. Приведенная нами последняя реакция найдена физиками лишь в
1951 году.
Зададим теперь такой вопрос: а не может ли происходить каких-нибудь реакций с
ядрами гелия-4, возникшими в результате протонно-протонного цикла? Не способны ли
альфа-частицы, в свою очередь, вызвать ядерные превращения, сопровождающиеся
выделением энергии?
Здесь сразу приходит в голову мысль проверить возможность захвата альфа-частицей
еще одного свободного протона. Оказывается, это дело невозможное, ибо таким способом не
создается устойчивой комбинации нуклонов.
Второй вариант: быть может, в солнечных недрах альфа-частицы взаимодействуют
попарно?
Теория утверждает: такая реакция приведет к тому, что на ничтожное мгновение
возникнет ядро бериллия-8, состояшее из четырех протонов и четырех нейтронов и
Однако бериллий-8 при температуре солнечных глубин распадается, не успев вступить
ни в какое новое взаимодействие.
А если температура выше 13 миллионов градусов? Если она достигает, скажем, 100
миллионов градусов? Ведь такие условия существуют — пусть не в недрах Солнца, а в
недрах других, более горячих звезд.
При 100 миллионах градусов ядро бериллия-8 может успеть, не распавшись,
столкнуться и провзаимодействовать с новой альфой-частицей. К этому способна примерно
одна десятимиллиардная часть ядер бериллия-8. В результате возникает устойчивое ядро
углерода-12
А отсюда начинается новый очень интересный цикл превращения водорода в гелий —
так называемый углеродный.
ЯДРА-ПОВАРА
Читатели — любители простокваши—-знают, что она приготовляется из молока
крошечными «поварами» — молочнокислыми бактериями. Что-то подобное происходит и в
углеродном солнечном цикле. Гелий приготовляется из водорода ядрами углерода, которые
тоже играют роль своеобразных «поваров».
Мы уже отмечали, что ядро углерода-12 образуется из альфа-частиц при температуре,
слишком высокой даже для Солнца. Но допустим все же, что этот элемент каким-то путем
попал в глубины светила (ведь в наружных солнечных слоях углерода немало).
В ядро углерода-12 при достаточно высокой температуре проникает быстрый протон.
Тогда возникает ядро
Азот-13 неустойчив. Но картина его распада благоприятна для дальнейшего. Примерно
через 14 минут после рождения он преобразует один из своих протонов в нейтрон, испуская
позитрон и нейтрино. После распада получается устойчивый изотоп углерода с массовым
чис-
Проходит в среднем 2,7 миллиона лет, и в ядро углерода-13 попадет еще один протон.
Образуется устойчи-
Минует еще огромный промежуток времени — в среднем 32 миллиона лет. Лишь на
его протяжении ядро азота-14 оказывается способным захватить новый (третий по счету)
свободный протон и превратиться, испустив опять гамма-фотон, в неустойчивое ядро
кислорода-15
Ядро кислорода-15 живет совсем недолго — в среднем всего 3 минуты. Распадаясь, оно
переделывает один из своих протонов в нейтрон. При этом испускаются позитрон и
нейтрино. Так кислородное ядро преобразуется
Наконец, в среднем еще спустя 110 тысяч лет, ядро азота-15 поглощает последний —
четвертый протон, тут же выбрасывает из себя альфа-частицу, гамма-квант и преобразуется в
ядро углерода-12, с которого, как вы помните, и начинался цикл:
Как видите, углеродные ядра, вбирая в себя протоны и в связи с этим переделываясь в
ядра азота и кислорода, соединяют четыре протона в альфа-частицу. Существенно, что сам
углерод при этом не расходуется. Он служит именно «поваром» — возбудителем цепочки
реакций, с той, правда, разницей, что обычный повар работает руками, а ядра углерода —
всем своим существом. Поэтому их и уместнее сравнить с молочнокислыми бактериями,
которые приготавливают простоквашу из молока, На языке науки это означает, что ядра
углерода являются катализатором процесса.
Нам остается еще оценить скорость освобождения энергии в углеродном цикле. Она
определяется, как и в протонно-протонном, длительностью самой медленной операции
«конвейера», то есть третьей реакцией, и, стало быть, составляет в среднем 32 миллиона лет
на каждый цикл. Это гораздо быстрее протонно-протонного синтеза.
ТЕОРИЯ И ОПЫТ
Мы осыпали читателя градом ничтожных вероятностей и невообразимо огромных
промежутков времени: 100 тысяч лет, 32 миллиона лет, 14 миллиардов лет! Вы вправе
спросить: а откуда, собственно говоря, такая уверенность? Ведь никакой бессмертный
Агасфер не сидел в глубинах Солнца с часами и календарем!
Уверенность даруется прежде всего той же тысячи раз проверенной квантовой
механикой. Именно она открыла возможность построить строгую не только качественную,
но и количественную гипотезу о солнечных ядерных процессах.
Однако, чтобы любая гипотеза стала всесторонне обоснованной теорией, нужно найти
ей подтверждение в наблюдениях и опытах.
С наблюдениями дело обстоит неплохо.
Скорости реакций в условиях солнечных недр вычислить просто. Из этих данных
нетрудно подсчитать мощность солнечного лучистого потока. С другой стороны, мощность
Солнца измерена давно и вполне надежно из результатов наблюдений светила. Подсчеты
показывают, что потребности Солнца в энергии вполне удовлетворяются протоннопротонным циклом. Углеродный «конвейер», очевидно, играет небольшую роль.
Но, кроме наблюдений, физикам доступны и прямые опыты, пригодные для проверки
теоретических выводов о скоростях солнечных ядерных реакций.
Подобные эксперименты ставятся при помощи ядерных «артиллерийских орудий» —
ускорителей. В них заряженные микрочастицы разгоняются электрическими и магнитными
полями и направляются на особые мишени. В результате ядерные «снаряды» и атомные ядра
мишени взаимодействуют, излучают гамма-фотоны, вновь рожденные частицы и т. д. Все
это регистрируется специальными счетчиками, индикаторами, и по полученным сведениям
физики могут судить о вероятности тех или иных реакций, об их продуктах, о тончайших
.нюансах их хода.
Вот что любопытно: в лаборатории воссоздаются ядерные реакции при гораздо более
высоких энергиях движения частиц, чем это бывает на Солнце. Воспроизвести же реакции на
обычных для светила энергиях не удается — они слишком малы и потому «загрязнены»
внешними влияниями. К тому же вероятности многих солнечных процессов настолько
ничтожны, что ждать их реализации в ускорителях пришлось бы тысячи и миллионы лет.
Вот почему экспериментаторы предпочитают всесторонне изучить ускоренные
процессы, а потом, на основе полученных сведений и данных теории, высказывать суждения
об их замедленном осуществлении в естественных условиях солнечных недр. Таким методом
получены доказательства того, что все солнечные реакции разрешены и при
соответствующих условиях происходят с полной неизбежностью.
Теоретическая ядерная физика и опыты на ускорителях подробно рассказывают о том,
как зависит скорость солнечных реакций от температуры.
Вы помните, температура есть не что иное, как средняя энергия теплового движения
частичек. На ускорителях же энергию «снарядов», бьющих по «мишени», можно изменять в
широких пределах.
Как видите, наука в состоянии не только искусственно вызвать реакции, подобные тем,
что даруют свет Солнцу, но даже менять их скорость по своему усмотрению. Правда, отсюда
еще весьма далеко до энергетического освоения солнечных процессов. Энергия,
освобождающаяся в ускорителях, совершенно ничтожна, и, главное, она не вызывает
самоподдерживающегося цепного процесса. На ускорение частиц затрачивается большая
энергия, а подавляющее большинство их бьет мимо цели. Поэтому энергии расходуется
гораздо больше, чем выделяется.
Но познавательное, исследовательское значение опытов с ускорителями огромно.
К каким же заключениям они ведут?
Объединяя данные эксперимента с теорией, можно утверждать следующее.
Протонно-протонный цикл оказывается не слишком сильно зависящим от температуры.
Первая ступень его остается чрезвычайно маловероятной даже при колоссальных скоростях
сталкивающихся протонов (кстати, реакцию слияния ядер водорода в дейтон на ускорителе
изучить не удалось, о ней судят по иным реакциям и выводам теории).
Зато углеродный «конвейер» очень чувствителен к переменам температуры и
интенсивно развивается при ее повышении. Видимо, в звездах, более горячих, чем Солнце,
он играет основную роль.
Подводим итоги
Итак, экспериментальная и теоретическая ядерная физика с помощью астрономии
разгадала тайну солнечной «кухни». Из исходного продукта — водорода—там готовится
одно-единственное «блюдо» — гелий, а свет и тепло представляют собой не что иное, как
отходы производства, вроде картофельных очисток и яичной скорлупы. Правда, эти отходы
совсем не бесполезный материал, как на настоящей кухне. Тепло солнечных недр и вызывает
ядерные реакции, которые поэтому называются термоядерными: от слова «термо» — тепло.
Взглянув на памятный нам график удельных масс нуклонов в разных ядрах (стр. 47),
мы убедимся, что разница масс нуклонов до и после синтеза в несколько раз больше, чем при
расщеплении ядер урана. В грамме делящегося урана освобождается 23 тысячи киловаттчасов энергии, а при синтезе грамма гелия — 175 тысяч киловатт-часов. Столь резкое
различие следует из неодинаковой сущности процессов ядерного деления и синтеза.
Деление осуществляется в конечном итоге электростатическим отталкиванием (оно-то
и разбрасывает осколки ядер). А при синтезе работают ядерные силы притяжения. Схватывая
сблизившиеся частицы, они заставляют их стремительно «падать» друг на друга. Такое
падение можно сравнить с ударом о землю гигантского метеорита. Но ядерные силы очень
велики — в миллиарды раз больше сил тяготения. Поэтому работа ядерных сил
сопровождается колоссальным выделением энергии.
Мы видели, что синтез гелия совершается на Солнце двумя путями — двумя
конвейерами термоядерных реакций. Один из них как бы автоматический. Ядра сливаются
сами собой, без посторонней помощи:
Этот трехступенчатый конвейер хотя и движется очень медленно, но охватывает
огромную массу солнечного вещества и поэтому играет главенствующую роль.
Вспомним еще, что энергия синтеза выделяется не только при непосредственном
слиянии ядерных частиц. Ядерные силы «трудятся» и при перестройках атомных ядер, лишь
бы из менее прочных комбинаций протонов и нейтронов получились более прочные
комбинации. Несколько упрощая явление, можно сказать: энергия, оставшаяся
«безработной» внутри ядра, неизбежно обретает свободу и работает вне ядра. Дело
происходит так, как если бы мы сначала «разорвали» ядра, растянули в стороны их протоны
и нейтроны, а потом сделали из этого «строительного материала» новые ядра. Если на
разрушение уходит энергии меньше, чем выделяется при последующем синтезе, то излишек
энергии освобождается. Именно это происходит во второй цепочке солнечных реакций.
Цепочку эту можно уподобить неавтоматическому, ручному конвейеру, ибо его
обслуживают «повара» — ядра углерода. Процесс состоит из шести звеньев:
Из-за нехватки «рабочей силы» — углеродных ядер-«поваров» — этот конвейер на
Солнце не слишком мощный, а может быть, и совсем слабенький, несмотря на то что
движется он сравнительно быстро.
Мы знакомы теперь с подробностями грандиозного солнечного «пожара», энергия
которого поддерживает температуру Солнца и не дает затухнуть термоядерному процессу в
его недрах.
Нам важно отметить и еще один факт.
Лучистые потоки в основной своей массе сосредоточены внутри светила. Наружу,
через поверхность, вырывается лишь ничтожная их часть. Родившись в виде фотонов
высоких энергий, луч нескончаемо долго блуждает по закоулкам солнечных недр, с трудом
продираясь в бурлящей чаще метущегося роя частиц. При этом бесчисленные излучения и
поглощения лучистой энергии приводят к тому, что рентгеновские лучи и гамма-фотоны как
бы дробятся на части. Мало-помалу образуются электромагнитные кванты, соответствующие
ультрафиолетовым лучам, и, наконец, видимому свету. Видимый свет — этот
«постаревший», «потрепанный» поток энергии солнечных недр — и составляет главную
долю излучения, испускаемого Солнцем наружу, в окружающее пространство. Ведь энергия
квантов видимого света гораздо меньше, чем у квантов коротковолновых излучений.
Кстати, почему наш глаз воспринимает именно эти лучи, а не рентгеновские и не
ультрафиолетовые? Как раз потому, что Солнце испускает их больше, чем любых других.
Обитатели Земли за миллионы лет жизни приспособили свое зрение именно к лучам с
длиной волны от 0,4 до 0,8 микрона, что соответствует видимому свету. Это лишнее
доказательство того, что Солнце уже многие миллионы лет выбрасывает в пространство
лучистые потоки одинакового спектрального состава1 .
Вот и вся разгадка могучей силы нашего лучезарного творца, разгадка, к которой так
долго и с такими трудностями стремилась пытливая человеческая мысль.
1 Ярко и образно о соотношении зрения и света рассказывается в научнопопулярной книге академика С. И. Вавилова «Глаз и Солнце» (есть несколько
изданий).
ВЧЕРА И ЗАВТРА
Мы разобрались вкратце, что такое Солнце сегодня.
Л каким оно было вчера?
История светила запечатлена в его нынешнем состоянии.
Располагая хоть и огромным, но не безграничным запасом водорода, оно не могло
вечно гореть своим неземным огнем, и, по всей видимости, жизнь его исчисляется
несколькими миллиардами лет.
Как же образовалось Солнце, как начало светить? Вот нам еще одна труднейшая
проблема науки. Но в наши дни и она начинает получать разрешение.
Солнце — всего лишь рядовой член многочисленной звездной семьи, подробно
изученной астрономами. Астрофизик находит в этой семье и глубоких старцев, и
представителей среднего возраста, и совсем еше юных младенцев. Обо всем этом говорит
характер излучения светил. Есть, например, звезды, расточающие энергию столь щедро, что
они не могли делать это дольше нескольких миллионов лет.
Получены и снимки, в которых некоторые астрономы видят самое рождение звезд:
выход их из «пеленок» — туманностей.
По мнению ряда исследователей (в том числе большой группы советских
астрофизиков), жизненный путь звезды, подобной Солнцу, разворачивается следующим
образом.
Сначала где-то, под действием силы взаимного тяготения, происходит скопление
частиц межзвездной газопылевой материи. Она собирается в какое-то подобие более или
менее уплотненных клубков, которым обычно присуще вращательное движение. Таких
клубков в одном облаке космической пыли и газа может образоваться несколько.
Постепенно газо-пылевое скопление густеет, частицы его, влекомые тяготением, как бы
падают к центру. Клубок уменьшается в размерах и поэтому вращается все быстрее (словно
конькобежец-фигурист, начавший крутиться, а потом прижавший руки к груди).
Центральные части скопления сжимаются, уплотняются. И тогда начинает сказываться то
самое явление, которым наука XIX века пыталась объяснить солнечное лучеиспускание:
возникает нагрев вещества. Энергия гравитационного сжатия переходит в теплоту.
Недра нашего клубка мало-помалу раскаляются, И если не прекращается поступление
космического вещества извне и сжатие продолжается, то в один прекрасный день в глубинах
небесного тела начинаются, пока еще редкие, реакции слияния атомных ядер. Поскольку в
межзвездной среде чаще других встречаются атомы водорода, то наиболее вероятным
процессом в недрах клубка следует признать синтез ядер гелия из протонов.
А снаружи тем временем наваливаются новые и новые миллионы тонн космического
вещества. Все жарче, плотнее делается сердцевина клубка. Ядерные реакции там становятся
чаще, освобождающаяся энергия, в свою очередь, повышает температуру недр и вырывается
мощным потоком наружу. В конце концов термоядерный синтез охватывает наибольшее
доступное количество вещества. Пробуждается самоподдерживающийся термоядерный
процесс, развертывается цепь ядерных превращений, вызванных теплом.
Гигантский шар раскаленного газа, быстро вращающийся, источающий потоки
фотонов высокой энергии и частиц вещества, — таким, видимо, было наше Солнце в
первоначальный период своей жизни..
Но бурная молодость светила длилась, по астрономическим масштабам, недолго—
всего несколько сотен миллионов лет. Изливая из себя свет и вещество, оно мало-помалу
уменьшалось в размерах. В недрах расходовался водород, накапливался гелий, а поток
энергии сокращался. Силой отдачи выбрасываемых частиц вещества и света вращение
Солнца понемногу тормозилось. И вот оно стало таким, каким мы его видим сейчас, —
уравновешенным, не склонным к неожиданным переменам светилом «зрелого возраста».
Долго ли суждено ему пробыть в этом состоянии?
Ответ базируется на оценке запасов неизрасходованного водорода: еще многие
миллиарды лет будет светить наше Солнце. Нам ничего не остается; как повторить вывод,
тысячи раз приведенный в популярных книжках: человечеству можно спокойно жить, не
опасаясь угасания светила.
А что будет потом?
Прогнозы составлены.
Примерно через сто миллиардов лет Солнце начнет дряхлеть. Водорода в его недрах
останется совсем мало. Выделение ядерной энергии резко снизится. Остывая, светило начнет
сжиматься, а это, как всегда, вызовет повышение температуры. Быть может, нагрев окажется
столь значительным, что даст начало новому термоядерному процессу: синтезу из гелия
других, более тяжелых ядер — скажем, углеродных и даже кислородных. И тогда опять
вспыхнет Солнце, обретет новую, долгую жизнь.
Возможен и иной, грустный исход: обедненное водородом светило окажется
неспособным зажечь спасительный термоядерный пожар в своих недрах. По мере сжатия оно
достигнет колоссальной плотности — вещество его, оставаясь газообразным, станет в сотни
тысяч раз тяжелее свинца. Теряя энергию на лучеиспускание, Солнце— уже не желтый, а
крошечный белый карлик — постепенно угаснет.
СУДЬБЫ ЗВЕЗД
Биография Солнца типична для многих членов звездной семьи. Но бывают и
исключения. Если звезда формируется из очень большого количества космического
вещества, то ее эволюция может быть иной.
С самого начала такая звезда горячее, чем Солнце, и поэтому энергия в ней
освобождается гораздо обильнее— за счет быстрого и широко развивающегося углеродного
конвейера реакций. Огромное выделение энергии влечет за собой усиление лучистых
потоков. В итоге решающую роль приобретает давление излучения, идущего из недр.
Добавляя свою силу к обычному газовому давлению, оно как бы раздувает звезду,
увеличивает ее размеры. Получается то, что астрономы называют красным гигантом.
По сравнению с научной кличкой нашего Солнца («желтый карлик») имя «красный
гигант», конечно, весьма почетно. Но вы не согласитесь переселиться поближе к подобному
светилу. Дело в том, что в массивных звездах центральные части довольно скоро лишаются
«горючего» — водорода. Охлажденное ядро светила начинает сжиматься, наружная
оболочка — расширяться, а это влечет за собой нарушение равновесия звезды. Она
принимается либо пульсировать, либо неудержимо исторгать в пространство свое вещество.
Вообще порой случается, что звезда благополучно развивается, проходит одну стадию
за другой, но потом вдруг делается неустойчивой, начиная периодически увеличивать и
уменьшать яркость. Такие переменные звезды — цефеиды — не редкость. Их очень много.
Честно говоря, и Солнце в незначительной степени — переменная звезда. Каждые
одиннадцать лет поверхность его покрывается большим, чем обычно, количеством пятен,
активность наружных слоев повышается. Есть признаки, говорящие о том, что колебания
активности совершаются также с периодом в сто лет. А по мнению отдельных ученых, раз в
240 миллионов лет Солнце так заметно уменьшает свой лучистый поток, что на Земле
возникают ледниковые периоды.
Видимо, пульсируют в какой-то мере все звезды. Вероятно, именно пульсация влечет за
собой перемешивание их вещества, столь важное для поддержания термоядерных реакций.
Однако не всегда звезды «дышат» ровно.
Есть светила, которые вначале ведут себя спокойно, но затем внезапно с огромной
скоростью раздуваются, сбрасывают наружные покровы — словно вспыхивают. Это тоже
итог нарушения внутреннего равновесия, но уже катастрофический. Газовое и лучистое
давления одерживают верх над цепями тяготения и сметают прочь наружные оболочки
светила.
Поверхность звезды увеличивается в сотни тысяч раз; столь же резко возрастает
яркость. Но вскоре сброшенные одежды рассеиваются в пространстве, и звезда тускнеет.
Вспыхивающие таким путем звезды астрономы называют «новыми». Поспешим сообщить
недавно добытую отрадную весть: наше Солнце к ним не относится.
Наконец, существуют светила, которые претерпевают небывало грандиозные, даже по
астрономическим масштабам, катастрофы —знаменитые «сверхновые» звезды. Это звездыбомбы, взрывающиеся с неописуемой силой. При взрыве их размеры и блеск увеличиваются
в миллиарды раз.
Вспышки «сверхновых» звезд — самые величественные из всех известных человеку
явлений природы. И вместе с тем это — редчайшие события. В нашей звездной системе—
Галактике, насчитывающей примерно 150 миллиардов звезд, такие вспышки наблюдались на
памяти людей всего три раза: в 1054, 1572 и 1604 годах. Природа и причины этих катастроф
поныне загадочны для науки. По многие ученые высказывают мысль, что они были вызваны
какими-то лавинообразными, мгновенно развивающимися и грандиозными процессами
термоядерного синтеза в необычайно плотном и горячем звездном веществе. Считают, что
при взрывах «сверхновых» звезд могли синтезироваться любые, даже самые тяжелые
атомные ядра — вплоть до ядер «зауранового» элемента калифорния.
1. ГРОЗНАЯ ОПАСНОСТЬ
Невозможный секрет. Сверхновая звезда на Земле. Реакция с участием лития.
Термоядерный порох. Где предел? Бахвальство и страх. Лучистый яд. Земля будет
чистой!
2. ВО ИМЯ БЛАГА
Внимание правнукам. Ловля лучей. Минуя Солнце . Аргентинская загадка.
Генеральная задача . Что предстоит зажечь . Трудности звездного нагрева. Против
лучистых, потерь. Температуры воспламенения. Чистота — залог успеха.
3. ПОДАРОК НАУКЕ
Вместо тяготения . Плазменный шнур. Сильнее молнии.
В разрядных трубках. Таинственные нейтроны . Всему миру. Новые достижения .
4. РАСКАЛЁННЫЙ ВИХРЬ
Необходима осторожность. Виток из плазмы. «Резинки». «Рессоры». Кольцевой
разряд. Камеры-баранки. Медицина и астрофизика. Питание трубок.
5. ИСКУССТВЕННОЕ СОЛНЦЕ
Без разрядов. В магнитной ловушке . «Огра». На ближайших подступах. Прогнозы
сроков. К термоядерным электростанциям. Плазма в роли генератора. Вода —горючее.
Наше будущее.
1. ГРОЗНАЯ ОПАСНОСТЬ
НЕВОЗМОЖНЫЙ СЕКРЕТ
Вот небольшая выдержка из книги американского физика Р. Лэппа «Новая сила»:
«...1 ноября 1949 года. Место действия — телевизионная студия в Нью-Йорке.
Транслируется программа, в которой сенатор Эдвин Джаксон от штата Колорадо обсуждает
с несколькими учеными вопрос о том, «не слишком ли засекречена наша атомная
программа». Сенатор вдруг поражает своих собеседников следующим замечанием: «Вот что
считается совершенно секретным: наши ученые с момента взрыва бомб над Хиросимой и
Нагасаки пытаются создать то, что называют «сверхбомбой...» Упомянув о недавно
испытанной атомной бомбе, оказавшейся в шесть раз более мощной, чем первые, сенатор
продолжает: «Они хотят сделать такую, которая бы в тысячу раз превосходила эту
чудовищную бомбу. И это — секрет, большой секрет, о котором американским ученым не
терпится рассказать всем ученым мира...»
Итак, сразу же после кровавого дебюта атомной бомбы в незабываемой японской
трагедии американцы начали готовить еще более страшное орудие массового истребления
людей. Делали они это, запершись на семь замков сверхсекретности, и далее одно
упоминание о готовящемся оружии, по свидетельству Лэппа, «поразило» чиновников
Комиссии по атомной энергии США.
Между тем после появления атомной бомбы идея новой «сверхбомбы» не представляла
собой, по существу, никакой тайны. Ее просто невозможно было скрыть, как нельзя
засекретить солнечные лучи, взрывы сверхновых звезд, менделеевскую таблицу и давно
известные уравнения квантовой механики.
В самом деле, зная о возможности создавать атомным взрывом звездную температуру,
вдумчивый физик сразу обращает свой взор к началу периодической системы Менделеева и
задается вопросом: а нельзя ли, используя столь сильный нагрев, возбудить на Земле реакции
синтеза гелия из водорода? Нельзя ли, раскалив на мгновение вещество, вызвать вспышку
солнечных термоядерных процессов?
Не слишком сложные теоретические исследования в сочетании с экспериментами дают
на такой вопрос положительный ответ.
Чем же тогда объяснялась американская сверхсекретность?
Приводим слова того же Лэппа: «Видно, с ликвидацией нашей монополии на атомную
бомбу отчаявшиеся конгрессмены захотели возродить чувство безопасности, установив
монополию на водородную бомбу».
СВЕРХНОВАЯ ЗВЕЗДА НА ЗЕМЛЕ
Чем располагает физик, задавшийся целью воссоздать на Земле сверхновую звезду —
грандиозную термоядерную вспышку?
Прежде всего температурой во многие миллионы градусов, которая вызывается
соединением кусков урана. Но длится такой нагрев ничтожно малый промежуток времени —
всего одну миллионную долю секунды. И в это мгновение нужно втиснуть процессы синтеза
гелия.
Каковы же они могут быть?
Точное повторение обычных звездных конвейеров — протонно-протонного и
углеродного — очевидно, отпадает. Эти циклы реакций слишком медленны.
Но есть иные возможности. Чтобы найти их, воспроизведем в увеличенном масштабе
левую часть графика удельных масс нуклонов в разных атомных ядрах.
Мы не забыли, что чем ниже ядро на этой кривой, тем оно устойчивее. Реакции с
выделением энергии — как бы прыжки ядер вниз. А самое нижнее и, стало быть, самое
устойчивое ядро здесь принадлежит гелию-4. Оно и является желательным конечным
продуктом реакций.
Слева, повыше гелия-4 расположились: обычный водород, тяжелый водород (дейтерий)
и сверхтяжелый водород (тритий). Напомним, что ядро дейтерия (дейтон) вмещает протон и
нейтрон, ядро трития — протон и два нейтрона.
Какими путями взаимодействуют перечисленные легкие атомные ядра?
Стремясь к большей устойчивости, они в результате парных соударений могут
перестраиваться следующим образом:
Как видите, самым кратковременным взаимодействием, дающим к тому же весьма
большой выход энергии, является слияние дейтона с ядром трития. Отсюда ясен и
простейший способ возбудить на Земле термоядерный взрыв. Смесь тяжелого и
сверхтяжелого водорода достаточно разместить вокруг запала, состоящего из обычной
урановой или плутониевой бомбы. Когда запал взорвется, под влиянием развившейся
огромной температуры ядра изотопов водорода сольются в ядра гелия-4, излучая
колоссальную энергию.
По всей вероятности, именно таким был термоядерный взрыв, произведенный
американцами в 1952 году под шифрованным наименованием «Майк». Испытания прошли
на атолле Эниветок в Тихом океане (Маршальские острова). Там была устроена громоздкая,
тяжеловесная 65-тонная установка, собранная на высоком металлическом основании. Тритий
(который не добывается в природе, а вырабатывается из лития путем облучения его
нейтронами) американцы готовили в специальных реакторах у реки Саванны, в штате
Южная Каролина. Строительство этого предприятия обошлось в баснословную сумму —
почти в полтора миллиарда долларов.
Взрыв оказался в 25 раз мощнее атомных. Он смел с лица Земли остров длиной в 5 и
шириной в 1,5 километра.
И тем не менее этой термоядерной «башне» было еще очень далеко до настоящей
водородной бомбы.
Ведь башню не поднимешь в воздух, не сбросишь на цель.
Однако вернемся к нашему рассказу.
Смесь дейтерия с тритием — горючее, не очень подходящее для бомбы. Сверхтяжелый
водород трудно изготавливать. Кроме того, он сильно радиоактивен — в течение 12 лет
наполовину распадается.
Чтобы уменьшить количество необходимого трития, его можно использовать не в
качестве основного горючего, а лишь для усиления уранового запала, чтобы открыть
возможность соединения дейтонов (первая и вторая реакция, стр. 128), а также
взаимодействию дейтонов с протонами (ускоренная вторая ступень протонно-протонного
солнечного конвейера). На этом принципе мыслима термоядерная бомба с запалом из урана
или плутония, вокруг которого находится смесь дейтерия и трития, служащая как бы
продолжением запала, и поверх всего этого — основное термоядерное горючее: смесь
дейтерия с водородом.
Однако и в такой системе хоть и в малых дозах, но остался необходимым
дорогостоящий и неудобный тритий.
РЕАКЦИИ С УЧАСТИЕМ ЛИТИЯ
Продолжив наш график немного вправо, мы увидим правее самого нижнего ядра
(гелия-4) ядра лития, причем помещаются они намного выше. Значит, альфа-частицы гораздо
устойчивее ядер лития и, следовательно, превращение лития в гелий тоже даст выделение
энергии.
Существует два изотопа лития — с массовыми числами 6 и 7.
В тонне природного металла первого изотопа содержится только 74 килограмма.
Остальное составляет литий-7. Однако разделение изотопов лития вполне доступно
современной технике..
Эти новые элементы термоядерного горючего способны взаимодействовать
следующим образом:
Чтобы реализовать написанные реакции и освободить внутриядерную энергию,
достаточно в наружной оболочке добавить к дейтерию и водороду литий. Можно пойти и
дальше: ввести литий в запал. Тогда добавлять к содержимому бомбы тритий уже не
потребуется, ибо он станет вырабатываться из-за бомбардировки лития-6 нейтронами. Они в
большом количестве выделяются при взрыве атомного запала — во время цепной реакции
деления ядер урана или плутония, а чуть позднее — при взаимодействии дейтонов. Процесс
пойдет по реакции:
ТЕРМОЯДЕРНЫЙ ПОРОХ
Дейтерий, водород, тритий — газы. Но газообразное горючее для термоядерной бомбы
не годится: оно занимает слишком большой объем, имеет малую плотность, малую
теплопроводность, а поэтому не успевает быстро прогреться от взрыва запала.
Можно попытаться либо очень сильно сжать газы, либо охладить их градусов на 250
ниже нуля и превратить таким способом в жидкость, либо применить изотопы водорода
связанными с кислородом—в виде тяжелой, сверхтяжелой и обычной воды. Однако
подготовка и использование подобных видов термоядерного горючего встречают серьезные
затруднения.
Сильно сжать газ очень трудно. Чтобы сохранить его под высоким давлением, нужна
необычайно прочная и, следовательно, тяжелая оболочка. Превратить газообразное горючее
в жидкое путем охлаждения легче, но в этом случае опять-таки требуется мощная
теплоизоляционная оболочка — очевидно, со слоями жидкого азота и твердой углекислоты.
Начинить бомбу водой совсем легко. Однако вода — не только водород.
Здесь появляется и «негорючий» балласт — кислород.
Все эти мощные оболочки и балластные примеси весьма отрицательно сказываются на
развитии термоядерного взрыва. Они резко снижают нагрев горючей смеси.
Самое выгодное — применить термоядерное горючее в чистом виде, а, главное, сделать
его твердым, не нуждающимся в особых оболочках. И это, оказывается, возможно.
Схема водородной бомбы на «термоядерном порохе» — дейтериде лития -6
Удается получить твердые соединения изотопов водорода с материалом запала ураном или плутонием. Наконец, еще эффективнее путь, открываемый благодаря
применению того же лития.
Химически соединяясь с изотопами водорода, литий образует твердые вещества —
гидриды, в которых водородные атомы расположены теснее, чем даже в чистом жидком
водороде.
Особенно сильный взрыв дает гидрид лития-6 с дейтерием — дейтерид лития-6 (Li6D).
При взрыве он освобождает тритий и обеспечивает, как сообщалось в научной печати, нагрев
до 300 миллионов градусов. При такой температуре успевает совершиться и превращение
Li36+D12 →2Не24 , что также сопровождается огромным выделением ядерной энергии.
Дейтерид лития-6 — твердый термоядерный «порох». Сила его взрыва неслыханно
велика. Взрыв этого вещества, похожего по виду на обыкновенную мирную столовую соль, в
миллиарды раз мощнее вспышки обычного химического пороха.
ГДЕ ПРЕДЕЛ?
Саперу надо свалить дерево. Он привязывает к стволу небольшую, с кусок туалетного
мыла, желтую пластинку тола, присоединяет детонатор с бикфордовым шнуром,
воспламеняет шнур спичкой и отбегает в сторону. Проходит несколько секунд — раздается
взрыв, и дерево падает. Двухсотграммовой пластинки химического взрывчатого вещества
хватило на то, чтобы разорвать волокна толстого древесного ствола.
Вообразите теперь, что из подобных плиток сложен штабель размером в шестиэтажный
дом— 20 тысяч тонн тола. Если взорвать его, получится эффект, примерно равный взрыву
обыкновенной атомной бомбы — типа той, что разрушила Хиросиму (разумеется, без
губительной радиоактивности). И такой взрыв создается соединением двух кусков металла
общим объемом примерно в две— три маленькие толовые шашки.
Химический взрыв нетрудно усилить, собрав вместе еще больше тола.
А удастся ли повысить мощность бомбы, увеличивая объем соединяющихся там кусков
ядерного горючего?
Лишь в небольших пределах.
Ведь расщепляющееся ядерное горючее при объеме больше критического взрывается
само собой. Каждый из отдельных кусочков урана до соединения должен быть достаточно
маленьким. И если таких кусочков в бомбе много, то соединить их быстро и одновременно
необычайно трудно. Вот почему мощность взрыва атомной бомбы невозможно увеличивать
беспредельно. Он может быть равносилен взрыву нескольких десятков, может быть, сотен
тысяч тонн тола, но не больше.
А вот термоядерное горючее само не взрывается. Для него нужен детонатор. Поэтому
теоретически мощность водородной бомбы можно безгранично повышать. Больше
подожжено термоядерной смеси — и мощнее взрыв.
Правда, технические трудности и здесь кладут определенные пределы. Однако
приходится признать, что в усилении и совершенствовании термоядерного оружия природа,
к сожалению, пошла навстречу технике. Чрезвычайно редко создавая естественные вспышки
сверхновых звезд, она не слишком мешает творить миниатюрное подобие этих катастроф.
Чем дальше продвигались исследования, тем выше поднимались не только мощности, но и
температуры термоядерных взрывов. Сверхсолнечный нагрев вещества, колоссальные
нейтронные потоки открывают возможность синтеза не только гелия, но и более тяжелых
атомных ядер. Замечено, что в современных водородных бомбах при взрыве, как и в
сверхновых звездах, образуется некоторое (правда, очень малое) количество одного из самых
тяжелых элементов — калифорния, атомные ядра которого в обычных условиях не могут
сохраняться на Земле, ибо они очень быстро распадаются. Синтез же тяжелых ядер должен
сопровожу даться еще большим выделением энергии.
Кое-кто из неспециалистов высказывал опасение, что такая игра с огнем рано или
поздно может привести к термоядерному воспламенению земного шара — частичному, а то
и полному. Страшно подумать — наша планета вдруг взрывается, словно сверхновая звезда!
И на первый взгляд подобные опасения не беспочвенны: по некоторым зарубежным
сообщениям, при испытательных взрывах водородных бомб в океане термоядерный процесс
захватывал в какой-то мере изотопы водорода окружающей воды. Однажды появилась даже
сенсационная весть о том, что мощь водородного взрыва впятеро превзошла ожидавшуюся.
На самом деле никакой подобной катастрофы быть не может. Если при водородном
взрыве и вовлекаются в реакцию водород и дейтерий океана, то в совершенно
микроскопических количествах. Пятикратное усиление взрыва — попросту газетная утка. В
масштабе всей Земли механическое и тепловое действие термоядерных вспышек ничтожно.
Ни поджечь океан, ни сдвинуть Землю с орбиты, ни расколоть планету они не могут, как не
способна спичка воспламенить стальной линкор. Знаменитый физик Энрико Ферми сказал
по поводу водородной бомбы: «Быть может, жизнь теперь станет менее счастливой, но она
не прекратится. У нас пока нет такой силы, которая могла бы уничтожить нашу планету.»
БАХВАЛЬСТВО И СТРАХ
Мощность термоядерных бомб сопоставима с силой взрыва миллионов тонн тола.
Одной такой бомбе равносилен целый толовый «город». Понятно, что и ущерб она способна
причинить колоссальный.
Правда, сфера разрушения растет с увеличением мощности взрыва довольно слабо —
пропорционально кубическому корню мощности. Если урановая бомба, эквивалентная 20
тысячам тонн тола, испепеляет все на километр вокруг, то водородная, эквивалентная 20
миллионам тонн тола, наносит серьезные разрушения в радиусе не тысячи и не ста, а «всего»
десяти километров. Но и такой радиус громаден, тем более что смертельные ожоги могут
происходить и на втрое дальнем расстоянии. Огромный город может быть уничтожен однойединственной бомбой.
Какой восторг это вызвало в 1952 году у заокеанских реакционеров! После испытаний
на атолле Эниветок они возомнили себя монополистами самого страшного оружия в мире.
Но недолго длилось это ликование, к которому, кстати сказать, было и тогда весьма
мало причин. «Взрывающаяся башня» операции «Майк» не имела никакого военного
значения. А на следующий год на территории СССР был произведен испытательный
термоядерный взрыв первой настоящей водородной бомбы. Взрыв этот оказался гораздо
более сильным, чем американский. Стало ясно, что наша страна перегнала США в этой
области. Тем не менее Советское правительство сразу же вновь поставило вопрос о
запрещении всех видов ядерного оружия — и опять тщетно.
Лишь полгода спустя американцы сумели построить и испытать на атолле Бикини
бомбу подобной мощности.
А тем временем воинственный пыл за океаном сменился истерическим страхом
ядерных бомбежек. Милитаристы всеми средствами запугивали людей, трубя о мнимой
опасности советского нападения и, по существу, преследуя единственную цель: оправдать
новую гонку атомных вооружений.
Чего только не навыдумывали в ту пору понапрасну испугавшиеся американцы!
Заговорили о рассредоточении промышленности, чтобы сделать менее уязвимыми крупные
города, об эвакуации городского населения. «В этом коллективном психозе, — вспоминает
французский журналист Клод Морган, — было много такого, что вызывает смех.
Управление массовой противовоздушной обороны разослало однажды циркуляр, в котором
городским жителям рекомендовалось: «В случае нападения запритесь в вашу автомашину,
закройте наглухо все окна — она пока ваше лучшее убежище».
Разумеется, запертая машина представлялась временной мерой спасения от
несуществующей угрозы. В качества более существенных мер вполне серьезно обсуждались
проекты перестройки городов — например, так, чтобы весь город был превращен в одну
длиннющую улицу. Шли разговоры о переселении школ, заводов, больниц под землю.
Придумали даже рычаги для опускания домов в вырытые под ними ямы!
ЛУЧИСТЫЙ ЯД
В 1957 году на острове Рождества в Тихом океане испытывали свою первую
водородную бомбу англичане. Издали с наблюдательных позиций было видно, как
гигантский взрыв озарил небо ослепительным пламенем, поднял из океана столб
раскаленного пара, который с огромной скоростью раздвинулся вширь и ввысь и повис над
водой тяжелым грибовидным облаком. Некоторые из читателей, вероятно, помнят эту
картину: ее киносъемка была включена в один из выпусков кинохроники.
А потом на экране появились другие кадры.
Японский город. Сотни людей, обеспокоенных, сутулящихся, с поникшими головами и
втянутыми плечами, спешат по улицам, прикрывшись невиданно большими зонтами из
плотной ткани. Забрызгали редкие капли дождя — и еще быстрей задвигался этот
встревоженный людской муравейник.
Что за тревога, в чем ее причины?
Первого марта 1954 года японская рыболовная шхуна «Фукуруи Мару» вела обычный
промысел в Тихом океане. Рыбаки даже не знали, что в ста пятидесяти километрах от них—
на атолле Бикини — американцы только что испытали мощную водородную бомбу. Шхуна
шла далеко за пределами «периметра безопасности», указанного американскими властями.
И вот пошел дождь — обычный дождь, на который никто не обратил внимания. А две
недели спустя, когда шхуна вернулась в родной порт, члены ее экипажа почувствовали
недомогание. Врач увидел на их теле какое-то покраснение, подобное ожогу рентгеновскими
лучами. Еще через несколько дней у людей оказался пораженным костный мозг. Страшная
болезнь, которую теперь называют лучевой, быстро прогрессировала.
Мирные японские рыбаки —не единственные жертвы испытаний термоядерного
оружия. От бесцеремонных американских экспериментов с этим страшным носителем
смерти пострадали также многие жители Маршальских островов, расположенных недалеко
от района взрывов.
По всем странам тогда прокатилась волна народного возмущения. Всемирный Совет
Мира опубликовал Декларацию с новым призывом запретить атомные и водородные бомбы,
остановить опыты, угрожающие жизни людей. Ведь еще со времен Хиросимы были
известны тяжелые последствия радиоактивного заражения.
А что было потом? Потом появились сообщения о том, что нашлись за рубежом
изобретатели, додумавшиеся... усилить вредоносную радиоактивность термоядерного
оружия. В оболочки бомб они предложили вводить кобальт, стронций, цинк — вещества,
которые под воздействием нейтронов приобретают громадную искусственную
радиоактивность. Взорвется такая бомба — и выпустит из себя невидимый лучистый яд, яд,
который отравит воздух, воду, почву, сделает окружающую местность на несколько лет
непригодной для жизни.
Вредоносные последствия взрывов сказываются не только вблизи катастрофы.
Как явствует из многочисленных исследований, с каждым новым испытанием атомного
и водородного оружия весь атмосферный воздух загрязняется губительными
радиоактивными атомами. Попадая в воду, они отравляют рыбу. Осаждаясь на земной
поверхности, они бесчисленными путями проникают в растения, в организмы животных и
человека, вызывая заболевания крови и костной ткани.
Радиоактивное излучение способно так искалечить клеточку, дающую начало новому
живому существу, что оно рождается порой чудовищным уродцем. Сегодня нам еще
неизвестна во всей полноте та угроза будущим поколениям человечества, которая нависла
после Хиросимы и непрерывно нарастает с каждым новым ядерным взрывом— пусть даже
экспериментальным.
Вот что несут с собой испытания ядерного оружия. И «очистить» его, как об этом
твердят за океаном, невозможно. Радиоактивное заражение вызывается одним присутствием
нейтронов, без которых практически не обходится ни один ядерный взрыв. Эти коварные
частицы самые обычные спокойные атомы превращают в радиоактивные.
ЗЕМЛЯ БУДЕТ ЧИСТОЙ!
Люди, которым дороги судьбы человечества, бьют в набат: нельзя больше ждать,
откладывать, тянуть с решением жизненно важной проблемы спасения Земли от атомной
угрозы. Давно пора добиться запрета применения атомных и водородных бомб, достичь
безоговорочного соглашения о повсеместном прекращении на вечные времена испытаний
ядерного оружия.
Правительство СССР, выдвинувшее предложения об этом, твердо стремится к их
осуществлению. Нет никаких оправданий упорному нежеланию руководителей
капиталистических держав внять голосу добра и разума. Нет никаких объективных причин,
мешающих пойти навстречу велению совести народов.
Все помнят, как весной 1958 года Советский Союз в одностороннем порядке прекратил
ядерные испытания. Эта гуманная инициатива не была поддержана. США ответили новой
серией атомных взрывов, совершив их более 50. И наша страна вынуждена была вновь
начать испытания. Раз ядерное оружие совершенствовалось за рубежом, его пришлось
совершенствовать и у нас, а без испытаний это делать невозможно, как: немыслимо
создавать новые самолеты, не испытывая их в полете.
Летом 1958 года в Женеве состоялось авторитетное международное совещание
экспертов-ученых, которые пришли к единодушному заключению о том, что контроль за
выполнением соглашения о прекращении ядерных взрывов может быть организован вполне
надежно. Наука способна на огромных расстояниях зарегистрировать любой ядерный взрыв,
в какой бы точке земного шара он ни был совершен.
В конце 1958 года в Женеве начались международные переговоры о прекращении
ядерных испытаний. И снова западные страны стали на путь проволочек.
«Выдвигая заведомо неприемлемые предложения, — говорил на Внеочередном XXI
съезде партии тов. Н. С. Хрущев, — наши партнеры по переговорам в Женеве, очевидно,
хотят спустить на тормозах решение этого вопроса... Что же касается Советского Союза, то
хочу еще раз подтвердить наше желание добиться соглашения о прекращении ядерных
испытаний как можно скорее. Договор по этому вопросу, основанный на разумных условиях,
обеспечивающий нужный контроль над взрывами, мы готовы подписать в любое время».
Мы хотим верить, что недалек день, когда договоренность о повсеместном
прекращении экспериментальных ядерных взрывов на вечные времена будет достигнута, что
логическим продолжением этого станет полный запрет производства и применения атомного
и водородного оружия. Другой дороги для человечества нет.
Наши дети, внуки и правнуки получат в наследство от нас чистую Землю, планету, не
отравленную радиоактивным ядом.
Но это не значит, что они не станут пользоваться энергией искусственного солнца.
Термоядерную могучую силу они заставят служить энергетике. И уже сегодня видны
ростки этого величественного будущего.
2. ВО ИМЯ БЛАГА
ВНИМАНИЕ ПРАВНУКАМ
Юные читатели, попробуйте-ка на минуту представить себя дедушками и бабушками,
даже прадедушками и прабабушками. Сколько у вас окажется внуков и правнуков!
По прогнозам специалистов, к 2000 году население земного шара увеличится по
крайней мере в полтора раза— на 1 200 000 000 человек, а вероятнее всего, и того больше.
Долг современного человечества — не только оградить семью своих многочисленных
потомков от радиоактивной угрозы, но и помочь им в труде и жизни. Такова давняя и
благотворная традиция: старшие помогают младшим.
Конечно, наши внуки и правнуки сами будут «не маленькие». Трудно даже представить
себе, до каких высот поднимут они технику. Однако никакая машина не сможет действовать,
не расходуя энергии. А ее источники наши потомки получат от нас.
Чем богаче будет насыщена мирной, созидательной техникой жизнь будущих
поколений, тем больше им потребуется энергии. В странах социализма к 2009 году
выработка и расход энергии должны увеличиться, в 100 раз!
Между тем запасы старых, традиционных энергетических источников на Земле уже
начали истощаться. Например, нефти, если ее сжигать столь же расточительно, как мы это
делаем сейчас, хватит, по ориентировочным данным, лет на 100. А ведь нефть — не только
горючее. Куда больше пользы она приносит, если используется как химическое сырье.
Недаром еще Менделеев воевал против бездумного сжигания «черного золота», говоря, что
«топить можно и ассигнациями» (бумажными деньгами).
Ну, а как дела с углем? Его в земных недрах раз в сто больше, чем нефти. Но этого
количества хватит лет на 100—200 всего-навсего. К тому же и уголь становится в наши дни
важным химическим сырьем.
То же можно сказать о горючих газах, торфе, сланцах, дровах.
Чего только не делают сейчас чудодеи-химики из органического топлива! Лекарства,
легчайшие и прочные, как металл, пластмассы, роскошные ткани.
Словом, органическое топливо надо беречь. Настанет время, когда сжигать его будет
очень жалко.
Разумеется, это вовсе не значит, что мы и наши потомки обязаны, нарядившись в
искусственные шелка, стучать зубами от холода в нетопленной и неосвещенной квартире.
Сегодня можно без опасений развивать тепловую электроэнергетику, наращивать темпы
энергетического освоения ископаемого горючего. Для завтрашнего дня наука видит много
путей получения энергии, минуя органическое топливо.
Забота о будущем растущего человеческого рода заставляет обратить на эти пути
особое внимание.
И человек не откладывает дела в долгий ящик.
Всюду, где возможно, строятся гидроэлектростанции. В нашей стране одни лишь
сибирские реки Енисей и Ангара способны ежегодно давать столько дешевой
электроэнергии, сколько в 1955 году выработали все электростанции Советского Союза.
Предстоит заставить прилежнее работать на человека ветер, приливы и отливы,
морской прибой. Почти нетронутые гигантские клады тепла хранят для человека земные
недра. Уже создаются электростанции, где движущей силой служит перепад температур
воды на поверхности и в глубине моря.
ЛОВЛЯ ЛУЧЕЙ
Исследования последних лет открыли богатые перспективы «ловли» солнечных лучей.
В особых фотоэлементах, изготовленных из полупроводниковых материалов, солнечный
свет превращается в электрический ток. Когда такие приборы удастся делать дешево и в
больших количествах, человечество сможет использовать непосредственно и в широчайших
масштабах неуловимый солнечный свет. А ведь он в течение нескольких дней приносит на
Землю столько энергии, сколько спрятано ее во всех запасах органического топлива нашей
планеты.
Труды ученых-химиков наметили недавно еще один — пожалуй, самый выгодный —
путь освоения лучистых солнечных богатств: накопление световой энергии в особых,
искусственно приготовленных веществах. Становится возможным стопроцентное
использование лучей Солнца для химического синтеза органических соединений — топлива,
промышленного и даже пищевого сырья. Природа ведет подобную работу — фотосинтез —
в зеленом листе растения. Но в естественных условиях она совершается весьма неэкономно и
медленно. А наука уверенно идет к тому, чтобы осуществлять фотосинтез неизмеримо
быстрее, экономичнее и не прибегая к услугам растений.
Кстати сказать, полупроводниковые ловушки света и искусственный фотосинтез
венчают завершающей победой давнюю борьбу людей за солнечные дары.
Первобытный человек, осмелившийся после лесного пожара схватить тлеющую
головню и разжечь от нее первый костер, заставил служить себе луч Солнца, поработавший
некогда на постройке органических молекул древесины.
Затерявшиеся в веках первооткрыватели угля и нефти раздобыли людям солнечные
«консервы», изготовленные сотни миллионов лет назад, чтобы мы сегодня питали ими
бесчисленные котельные, топки паровозов, теплоэлектроцентрали.
Создатели ветряных и водяных мельниц, гидростанций и ветроэнергетических
установок тоже, по существу, выдумали солнечные машины. Ведь именно Солнце рождает
ветер и движение воды.
Короче говоря, топливо, вода, ветер—посредники между человеком и Солнцем. Но,
надо сказать, посредники эти не слишком расторопные и экономные. Передавая людям
энергию Солнца, они не спешат и мало теряют.
Лишь с помощью полупроводниковых световых батарей и искусственного фотосинтеза
можно будет без всяких посредников брать с неба всесильный лучистый поток.
Освоение богатств солнечных лучей — великая и заманчивая перспектива. В будущем
эту область техники ждет грандиозное развитие. Однако будущее это, видимо, не близкое,
ибо многочисленные технические, проблемы,, связанные с ее развитием, еще очень далеки от
окончательного решения.
Зато уже протоптана человеком тропа совершенно иного приобретения энергии, не
связанного с Солнцем.
МИНУЯ СОЛНЦЕ
На твердом индустриальном фундаменте сегодня стоит ядерная энергетика. Создание
первой в мире атомной электростанции ознаменовало, помимо всего прочего, важный
поворот в истории — начало похода науки против вековой зависимости людей от Солнца.
Правда, и раньше мы получали какие-то крохи энергии помимо светила — от приливов,
вызываемых главным образом Луной, из теплоты недр планеты. Но энергетические кладовые
тяжелых атомных ядер неизмеримо доступнее. Освоение ресурсов урана и тория, бесспорно,
отодвигает угрозу энергетического голода. Однако надолго ли? Оказывается, не очень. Если
всю мировую энергетику перевести на «расщепляющееся» ядерное горючее, то при
нынешних темпах роста потребления энергии его хватит лишь на 100—200 лет, на тот же
период, за который израсходуются запасы угля и нефти.
Что ж, значит, атомный век сулит быть именно веком? Неужели ему суждено
завершиться так скоро?
Нет. Нескончаемо долго будет служить людям энергия атомного ядра, ибо далеко не
одно «расщепляющееся» ядерное горючее учатся использовать люди. Мирное освоение
энергии ядерного синтеза, извлечение ее без взрывов, искусственное солнце — вот что
вольет жизнь в исполинскую технику будущего.
Если бы нашелся способ обуздать термоядерные реакции, люди навеки обеспечили бы
себя собственной, чисто земной, независимой от Солнца энергией и в таких количествах,
которые выглядят совершенно фантастическими. Ведь водород и дейтерий — это вода
океанов!
АРГЕНТИНСКАЯ ЗАГАДКА
В истории науки порой случаются странные, трудно объяснимые эпизоды. Об одном из
них, касающемся проблемы искусственного солнца, стоит вкратце упомянуть.
Ходят слухи, что еще в конце 40-х годов, за несколько лет до того, как поднялся над
Землей первый зловещий гриб водородного взрыва, в пору, когда никто из признанных
лидеров физики и не помышлял о возбуждении спокойной термоядерной реакции, опыты в
этом направлении уже ставились. И где бы, вы думали? В Аргентине. В глухом уголке этой
страны пастухов и овец — на уединенном острове какого-то озера, под бдительной охраной
наемных стражников, в обстановке строжайшей секретности — некто, по фамилии Рихтер,
пытался осуществить лабораторный термоядерный синтез. Сообщение о физике«подпольщике» просочилось тогда па страницы американского журнала «Нуклеонике» и
вызвало волнение в научной среде. Нашлись скептики, поднявшие на смех не ведомого
никому «чудака» и «мечтателя». Но иные из ученых отнеслись к нежданной вести с
интересом. Журнал обратился к Рихтеру с призывом поделиться итогами опытов. Ответа не
последовало. Таинственный экспериментатор как в воду канул.
И поныне неизвестно, что делал этот человек. Непонятно и кем он был: гениальным ли
провидцем, не пожелавшим никого посвятить в свои замыслы, алчным ли изобретателем, в
угрюмом одиночестве стремившимся к наживе... Может быть, то был ловкий спекулянт и
фальсификатор, преследовавший чисто жульнические цели — вроде небезызвестного
Метьюза, который во время первой мировой войны сорвал солидный куш за лжеизобретение
каких-то универсально смертоносных лучей? Трудно сказать...
Во всяком случае, и неудача талантливого ученого-одиночки теперь не вызвала бы
удивления. Проблема лабораторного ядерного синтеза оказалась необычайно трудной. Она
под силу лишь большим коллективам исследователей, работающих во всеоружии новейшего
оборудования необычайной сложности и точности. Это отнюдь не дело одного человека—
это огромная задача, задача подлинно государственного, даже международного масштаба.
ГЕНЕРАЛЬНАЯ ЗАДАЧА
Первые широко организованные поиски подходов к решению великой проблемы
управляемого термоядерного синтеза были предприняты в начале 50-х годов в Советском
Союзе, Англии и США примерно одновременно. После ряда предварительных изысканий
стало ясно, что наука уже созрела для того, чтобы начать планомерное движение к заветной
цели.
В 1955 году президент Академии наук СССР академик А. Н. Несмеянов говорил:
«Настало время вместо использования жалких крох консервированной в том или ином виде
на нашей планете колоссальной энергии Солнца создать свое солнце на Земле. Не правда ли,
это звучит как фантазия? Но разве фантазия — электростанции, использующие ядерную
энергию деления урана, двигатели на атомном горючем? Еще ближе мы подойдем к цели,
когда сумеем получить управляемую термоядерную реакцию, подобную реакциям, идущим
на Солнце. Тогда мы действительно создадим наше солнце на Земле».
А вот слова ведущего советского исследователя физики атомного ядра академика И. В.
Курчатова, произнесенные с высокой трибуны XX съезда Коммунистической партии
Советского Союза:
«Теоретические работы по атомной и ядерной физике открыли возможность искать
новый путь использования атомной энергии в мирных целях, открыли возможность
экспериментального развертывания работ по осуществлению управляемых термоядерных
реакций — реакций синтеза, или слияния, что является важнейшей, генеральной задачей
науки».
Итак, надо научиться возбуждать термоядерные процессы без атомной или какой
угодно другой бомбы - в небольших, безопасных масштабах, с тем чтобы выделяющаяся
гигантская энергия сделалась доступна контролю, регулированию и, стало быть,
техническому, освоению.
Горючим могут служить те же изотопы водорода — дейтерий и тритий, ядра которых
способны к знакомым нам реакциям:
Теперь об этом чудесном топливе стоит рассказать поподробнее.
ЧТО ПРЕДСТОИТ ЗАЖЕЧЬ
Тяжелый водород содержится в естественном водороде в довольно значительном
количестве— 15,6 килограмма на тонну. В довоенные годы разделение изотопов водорода
считалось труднейшей задачей. И. В. Курчатов в одной из своих статей вспоминает, что в ту
пору тяжелый водород для научных исследований удавалось добывать буквально граммами.
Зато теперь получение дейтерия — дело не слишком сложное. Во всяком случае, оно
неизмеримо проще разделения изотопов урана, о котором мы упоминали, обсуждая способы
приготовления делящегося ядерного горючего. Ведь разница в весе атомов изотопов
водорода весьма велика, а это влечет за собой и заметные различия их физических свойств. В
результате тяжелая вода плотнее обычной, точка кипения ее 101,42 градуса Цельсия, а
замерзает она при 3,802 градуса Цельсия.
Имеется несколько промышленных путей выделения тяжелой воды из обычной.
Удобные методы предложены и для отделения дейтерия от водорода. В Институте
физических проблем Академии наук СССР разработан метод разделения изотопов водорода
при их глубоком охлаждении. Легкий водород и дейтерий становятся жидкими при разных
температурах, и поэтому их отделяют друг от друга перегонкой. Стоимость дейтерия по
энергетической ценности уже сейчас в сто раз меньше стоимости угля.
Несколько слов о наиболее эффективном горючем термоядерных реакторов будущего
— тритии.
Как вы думаете, сколько его на земном шаре в естественных условиях?
Несколько сот граммов — всего-навсего.
Почему же?
Мы уже говорили, что тритий сильно радиоактивен. За каждые двенадцать лет его
запас наполовину тает — распадается. А возобновляется он только за счет того, что атомные
ядра азота воздуха то там, то здесь подвергаются бомбардировке нейтронами,
появляющимися в космических лучах. Ядро азота, поглотив нейтрон, распадается на ядро
углерода и ядро трития.
Сходным путем тритий изготовляют искусственно, но не из азота, а из щелочного
металла лития. Об этом мы тоже упоминали.
Потоки нейтронов ядерного реактора направляют на стержни, сделанные из лития-6.
Его атомные ядра жадно захватывают нейтроны и расщепляются на ядра трития и легкого
гелия. В стержнях накапливается сверхтяжелый водород, который потом выделяют,
погружая их в воду.
Особенно удобны для получения трития реакторы с расширенным воспроизводством
ядерного горючего — те самые «волшебные печи», из которых вместе с «золой» извлекают
новое топливо — плутоний или уран-233. Тритий, как видим, не так уж просто
вырабатывать, и поэтому в наши дни он обходится в тысячи раз дороже, чем дейтерий. Но,
когда появятся мирные термоядерные реакторы, тритий бесспорно станет гораздо дешевле и
доступнее. Ведь при синтезе ядер изотопов водорода будут неизбежно освобождаться
нейтроны, которые станут излучаться реактором. Эти нейтроны предложено «размножать» в
таком материале, как, например, бериллий, свинец, висмут (атомное ядро таких элементов
легко поглощает быстрый нейтрон, но тут же выпускает взамен два медленных нейтрона).
Размноженные этим способом нейтроны можно затем использовать для получения трития из
лития-6. Так, без всяких специальных реакторов будет осуществляться расширенное
воспроизводство сверхтяжелого водорода — с помощью самой термоядерной установки его
будут вырабатывать даже больше, чем «сгорит» в плазме. Тритий при этом сулит стать не
таким уж дорогим горючим. Пока не исчерпаются на Земле запасы лития, тритий можно
будет добывать в огромных количествах.
Итак, в нашем распоряжении куда более удобные материалы для медленных реакций
ядерного синтеза, чем на Солнце и звездах. Небесные светила вынуждены пользоваться
легким водородом и довольствоваться нескончаемо долгим превращением протонов в
дейтоны. Человек отсекает это первое звено солнечного конвейера и начинает цепочку
реакций прямо с дейтонов. Кроме того, в отличие от Солнца, люди владеют легко и бурно
реагирующим тритием.
Таково горючее. Мы еще вернемся к рассказу о нем, а пока начнем разговор о том, как
же его заставить вспыхнуть спокойным термоядерным огнем.
ТРУДНОСТИ ЗВЕЗДНОГО НАГРЕВА
Как вам уже известно, и на Солнце и в водородной бомбе термоядерный процесс
возникает из-за чрезвычайно сильного нагрева вещества. Ядерный синтез поджигается, а
затем развивается сам собой. Подобно этому костер воспламеняется от спички и горит, пока
не израсходуется весь хворост. Отличие заключается в начальной температуре. Вспышка
спичечной головки развивает 700 градусов, а для поджога термоядерного горючего должна
быть изобретена маленькая вполне безопасная «спичка», создающая колоссальный нагрев —
во многие миллионы градусов. Это главный, решающий рубеж проблемы.
Что значит сильно нагреть вещество?
Это значит привести его атомы в очень интенсивное беспорядочное движение. Подъем
температуры соответствует увеличению средней энергии хаотического теплового танца
атомов.
И вот этот атомный хаос — весьма заразительное явление. Невозможно заставить
«танцевать» какую-то малую часть атомов. Они неминуемо расталкивают своих соседей, те,
в свою очередь других, и так далее. Вы разогреваете вещество где-то в одной точке, а
увеличенная
энергия теплового движения растекается оттуда во все стороны, распределяется между
все большим и большим числом частиц. Стало быть, их средняя энергия, соответствующая
температуре вещества, повышается очень слабо.
Теперь вам ясна первая трудность высокотемпературного нагрева—необходимость
изоляции раскаляемого объекта от внешней среды.
Физики довольно давно пытались в своих лабораториях раскалить вещество до
сверхвысоких температур. Один из применявшихся методов — взрывы тонких проволочек
сильными ударами электрического тока — привел к мгновенному нагреву в сотни тысяч
градусов. Подобное явление, кстати сказать, знакомо многим нашим читателям: нечто
похожее происходит, когда перегорают пробки в осветительной электросети.
Другой способ — столкновение газовых струй огромного давления, вырывающихся из
маленьких отверстий в баллонах, — дает десятки тысяч градусов.
Испытывали и столкновение ударных волн от двух одновременных небольших
взрывов, направленных навстречу друг другу через сужающиеся конусные трубы. Между
концами труб находился газ. И под двусторонней встряской взрывных волн он очень сильно
раскалялся.
Однако ни в одном из перечисленных способов лабораторного нагрева требование
строгой изоляции разогреваемого объекта от внешней среды не выполняется. Впрочем,
можно возразить, что в водородной бомбе тоже нет изоляции от внешней среды. Верно. Но
там нагрев обгоняет растекание энергии из-за чудовищного обилия внезапно выделяющегося
тепла, из-за страшного по силе взрыва. А это отнюдь не контролируемая реакция. Никакая
бомба, никакой взрыв нам теперь не нужны.
Зато на Солнце, горящем медленно, требование тепловой изоляции выполнено
идеально. Скованный могучим тяготением, солнечный шар висит в пустом пространстве, не
соприкасаясь ни с каким веществом, способным отсасывать энергию теплового движения
солнечных частиц.
Однако окружающая пустота не мешает Солнцу отдавать свою энергию наружу. Она
вырывается лучистыми потоками. С этим связана вторая трудность звездного нагрева, к
которой мы сейчас и переходим.
ПРОТИВ ЛУЧИСТЫХ ПОТЕРЬ
Не только столкновения с окружающими атомами отнимают тепло у раскаленных тел.
При определенной температуре в любом, даже идеально изолированном объеме вещества
начинается весьма заметное лучеиспускание. Оно неумолимо растет при повышении
температуры. В конце концов лучистая энергия, рожденная теплом, начинает с колоссальной
скоростью вырываться наружу.
Здесь важно отметить существенную особенность: чем меньше размеры раскаленного
тела, тем большую долю своего тепла оно испускает в виде лучей. Ведь выделяется-то
энергия во всем объеме, а излучается только с поверхности. В маленьких телах отношение
поверхности к объему больше, чем в крупных. Поэтому маленькие тела излучают быстрее
крупных. Значит, и для нагрева их требуются более высокие темпы поступления энергии.
Отсюда понятно, почему в миллионоградусной жаре солнечных недр скорость
энерговыделения невелика— если поделить общее количество вырабатываемой энергии на
массу светила, то получится, что в килограмме солнечного вещества выделяется в среднем за
секунду всего 1900 эргов энергии. Вскипятить на таком потоке энергии пол-литровую
кружку воды удастся за... 34 года! Неожиданный результат, не правда ли? Он неважно
согласуется с представлением о великом солнечном могуществе. Но зато он хорошо
иллюстрирует размеры массы светила и ничтожность его поверхности по сравнению с
объемом.
Иное дело в телах малого размера.
Представьте себе, что какой-то твердый предмет величиной с арбуз нагрет до миллиона
градусов. Чтобы восполнить собственное излучение и не остывать, он должен получать
ежесекундно сотни миллиардов калорий тепла на каждый килограмм вещества. В подобном
потоке энергии десятки тысяч литров воды закипели бы за секунду.
Колоссальное излучение энергии не играло бы заметной роли, если бы мы могли
построить установку термоядерного синтеза размером... с Луну. В реальных земных
условиях это, разумеется, невозможно.
Как же быть?
Первое условие: нагревать горючее надо быстро. Подводить энергию, обращающуюся в
тепло, следует, обгоняя рост лучеиспускания. Только тогда будут достигнуты температуры,
достаточные для возбуждения незатухающих термоядерных реакций. При этом быстрый
подвод энергии вовсе не должен быть безмерно большим. На скоростной разогрев
изолированного от окружающей среды грамма дейтерия может уйти всего несколько
киловатт-часов энергии — в десятки тысяч раз меньше, чем потом выделится при синтезе
гелия.
Еще важнее другой залог успеха в борьбе с колоссальным лучеиспусканием:
использовать горючее только в виде газа, причем возможно более разреженного. Ни жидкое,
ни твердое горючее, столь выгодные для водородной бомбы, теперь вообще не годятся —
именно потому, что мы хотим добиться спокойного выделения энергии. При сверхвысоких
температурах в жидкостях и твердых телах неотвратимо создаются исполинские давления,
которые приводят к катастрофическому разлету вещества— ко взрыву. Иное дело —
разреженный газ. Его можно удержать в достаточно прочном сосуде даже в сильно нагретом
состоянии.
Главное же преимущество газообразного горючего — прозрачность. Чем прозрачнее
тело, чем меньше в нем «черноты», тем слабее оно излучает энергию при нагревании (вы
помните, что больше всего излучает «абсолютно черное тело»). Словом, в газе при
ничтожной плотности потери на излучение неизмеримо меньше, чем в жидкости или в
твердом теле. Поэтому для звездного нагрева газа энергию можно подводить не столь
стремительно, что очень важно для осуществления спокойного, не взрывного процесса.
ТЕМПЕРАТУРЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
До каких же все-таки температур надо нагреть газообразное термоядерное горючее,
чтобы вызвать в нем самоподдерживающийся процесс ядерного синтеза?
Зная вероятности ядерных реакций при разных скоростях сталкивающихся частиц (что
соответствует разным температурам), на этот вопрос ответить нетрудно.
Расчет показывает, что даже при комнатной температуре слияния ядер случаются, хоть
и невообразимо редко. В литре холодного дейтерия при обычном атмосферном давлении
одна пара дейтонов соединяется раз за 500 лет. С повышением же температуры число
реакций увеличивается по определенному закону — сначала очень медленно, а затем
неимоверно быстро.
Физики-теоретики составили любопытный график этой зависимости. Он изображен на
стр. 153 и относится к газообразному термоядерному горючему, находящемуся при
комнатной температуре под давлением в 0,001 атмосферы. Нижняя кривая отражает
поведение дейтерия, а верхняя — смеси дейтерия с тритием. Внизу по горизонтали отложены
температуры. Слева по вертикали— мощность термоядерной энергии, которая создается в
кубическом сантиметре раскаленного горючего. А справа по вертикали — отношение
вырабатываемой термоядерной энергии к энергии излучаемой. Обратите внимание: все
значения физических величин даны степенями числа 10. Это как бы сжимает график, делает
его особенно наглядным.
О чем говорят кривые?
В смеси дейтерия с тритием количество вырабатываемой и излучаемой энергии
делаются одинаковыми при 40—50 миллионах градусов. Это и есть температура вспышки
самоподдерживающегося термоядерного процесса. В дейтерии же, как показывает график,
температура вспышки гораздо выше — составляет приблизительно 300—400 миллионов
градусов. И каждый кубический сантиметр горючего при этом будет вырабатывать и
излучать сотни ватт энергии.
Вот такими должны быть заветные температуры для создания искусственного солнца.
И это — минимальный нагрев, при котором изотопы водорода лишь «загорятся». Наиболее
выгодные, оптимальные температуры самоподдерживающегося термоядерного синтеза
выше. Для дейтерия это примерно 500 миллионов градусов, для смеси дейтерия с тритием —
150 миллионов градусов, причем вычисления степени нагрева изотопов водорода проведены
здесь в предположении, что горючее -надежно изолировано от окружающей среды, что
частицы его прочно удерживаются в постоянном объеме. В противном случае температуры
возбуждения незатухающих термоядерных реакций оказываются гораздо более высокими.
Надо отметить еще, что термоядерное горючее (как и уран и уголь) может
воспламениться лишь в достаточном объеме. Иначе цепной реакции просто негде будет
развернуться и она не сможет стать самоподдерживающейся. Поэтому реактор на смеси
дейтерия с тритием не может быть размером меньше метра в поперечнике. А реактор на
дейтерии должен иметь еще большие размеры.
ЧИСТОТА - ЗАЛОГ УСПЕХА
Наконец, очень существенно требование чистоты горючего. Добавки тяжелых атомов в
нем недопустимы даже в ничтожных количествах. Дело в том, что самая крохотная порция
лишних атомов, особенно — тяжелых, действует здесь, как таблетка аспирина в организме
гриппозного больного: снижает температуру, ослабляет термоядерную лихорадку. Почему?
Ведь до того, как станут возможны ядерные реакции, вещество должно ионизироваться
— превратиться в электронно-ядерный газ, в так называемую плазму. Другими словами,
атомы должны быть наголо «обриты» — лишены электронов. Причем тяжелые «негорючие»
ядра гораздо гуще обросли электронной «щетиной». «Обрить» их труднее, чем легкие —
«горючие». Понятно, что на такую «парикмахерскую» работу уходит значительная часть
энергии нагрева.
Кроме излишних затрат «на бритье», эта энергия расходуется еще на расталкивание
ядер примеси, принимающих, конечно, участие в общем беспорядочном тепловом движении
частиц. Наконец, очень большая доля энергии уносится из плазмы электромагнитным
излучением, которое возникает при торможении электронов тяжелыми атомными ядрами.
Тяжелые ядра обладают сравнительно большим положительным зарядом и поэтому тормозят
пролетающие мимо электроны особенно резко. А при сильном замедлении движения
электроны обязательно излучают, «стреляют» рентгеновскими и гамма-фотонами, которые
тут же уносятся прочь из плазмы.
Чем многочисленнее лишние ядра, тем большую часть энергии нагрева они отсасывают
па себя. Например, присутствие всего лишь одного атома урана на тысячу водородных
снижает температуру в два с половиной раза.
Итак, что же нам нужно для создания искусственного солнца?
Необходимо научиться достаточно быстро нагревать тщательно очищенные
газообразные изотопы водорода в значительном объеме до десятков и сотен миллионов
градусов. Этот нагрев надо вести так, чтобы гарантировать строгую изоляцию от
окружающей среды и от стенок сосуда. Такова должна быть «звездная спичка».
Сделать ее — задача феноменальной трудности.
Но никто не сказал, что эта задача неразрешима.
3 . ПОДАРОК НАУКЕ
ВМЕСТО ТЯГОТЕНИЯ
Чтобы увереннее идти дальше, вспомним в двух словах, как возгоралось Солнце.
Мы давно знаем имя его «поджигателя». Это было тяготение. Термоядерные процессы
в глубинах светила возбуждались из-за тепла, рожденного гравитационным сжатием
вещества.
То же тяготение связывало раскаленную массу Солнца. Перебарывая газовое и
лучистое давления, оно не давало солнечным частичкам разлетаться в стороны, соединяло их
в единый сгусток.
Таким образом, тяготение играет решающую роль в жизни естественного Солнца. И
объясняется это, повторяем, огромной массой светила.
Замыслив создать маленькое искусственное солнце, мы не можем изолировать его
вещество силой тяготения, ибо в небольших массах она еле заметна. К тому же нас совсем не
устраивает черепашья скорость возникновения термоядерных процессов на Солнце.
Чем же заменить тяготение? Как поджечь вещество миллионоградусным жаром и тут
же изолировать горючее, не используя никаких твердых стенок?
Мы можем попытаться применить для этого не тяготение, а другие дальнодействующие
силы — электрические и магнитные.
На первый взгляд такая попытка не слишком обнадеживает. Газ плохо проводит
электричество, его не притянешь магнитом, как кусок железа.
Но не забывайте, что речь идет не об обычном газе, состоящем из электрически
нейтральных частичек. Ведь при сверхвысокой температуре газовые атомы из-за сильных
столкновений теряют все свои электроны. Получается плазма, скопище заряженных частиц
— электронов и «наголо обритых» атомных ядер. А на заряженные легкие тела
электрические и магнитные поля действуют очень сильно. Электрическое поле ускоряет или
тормозит полет частиц; магнитное же искривляет их путь, заставляет их двигаться не по
прямым линиям, а по кругам или спиралям.
Применить сочетание магнитного и электрического полей для изоляции и нагрева
плазмы предложили в 1950 году советские физики: академик И. Е. Тамм и молодой ученый
(затем тоже академик) А. Д. Сахаров.
Вот суть одного из вариантов исследований, по которому затем были развернуты
эксперименты.
ПЛАЗМЕННЫЙ ШНУР
Вообразим, что к трубке с газообразным дейтерием подведено высокое напряжение.
Оно создает сильное электрическое поле, под действием которого возникает лавина
электрически заряженных частиц: Нейтральные атомы разбиваются на электрически
заряженные частички — положительные дейтоны и отрицательные электроны.
Подхваченные полем, они устремляются в разные стороны. Происходит пробой, начинается,
газовый разряд. Стремясь туда, куда их тянет электрическое поле, бешено летящие частицы
сталкиваются друг с другом. Беспорядок в их движении нарастает, температура поднимается.
Газ мгновенно превращается в раскаленную плазму.
Плазма — отличный проводник тока. Он течет в ней лучше, чем в металле, и все жарче
раскаляет ее. Но еще со времен Фарадея известно, что любой электрический ток создает
вокруг себя магнитное поле, силовые линии которого располагаются вокруг тока
концентрическими кругами. Как же влияет это собственное магнитное поле на частицы
плазмы? Оно заставляет их сходить с прямого пути и закручиваться вокруг силовых линий.
Причем вот что важно: куда бы ни двигался электрон или голое ядро, они обязательно
отклоняются к центру тока. Кувыркаясь подобно гайкам на ободах катящихся велосипедных
колес, частицы плазмы стремительно несутся навстречу друг другу. И возле оси тока из-за
ужасающей толчеи и беспорядка при столкновении частиц должно наблюдаться то, ради
чего затеяно все дело, — огромное повышение температуры.
Итак, при достаточно мощном импульсе тока плазма в разрядной трубке должна
стягиваться в тонкий шнур. Явление это носит название пинч-эффекта. И здесь оно обязано
сопровождаться колоссальным нагревом плазмы.
Но пинч-эффект одновременно выполняет и другу задачу: изолирует плазму, отделяет
ее от стенок разрядной трубки. Между стенками и плазменным шнуром возникает невидимая
магнитная стена, проникнуть за которую частицам плазмы очень трудно. Казалось бы, ничто,
кроме испускания плазмой лучистой энергии, не должно препятствовать повышению ее
температуры.
Проверка изложенной идеи была проведена в Институте атомной энергии Академии
наук СССР. Руководил экспериментами академик Л. А. Арцимович. Академик М. А.
Леонтович возглавил теоретические исследования. Опыты вели научные сотрудники С. Ю.
Лукьянов, И. Н. Головин, С. М. Осовец, Н. В. Филиппов, О. А. Базилевская, С. П.
Брагинский, И. М. Подгорный,
А. М. Андрианов, В. П. Синицын, Н. А. Явлинский. Все эти ученые в 1958 году были
награждены Ленинской премией.
В итоге обширных работ советские физики подтвердили правильность основной идеи
экспериментов. Вместе с тем они пришли к заключению, что процессы разряда в плазме
протекают гораздо сложнее, чем представлялось до опытов, и несколько иначе, чем хотелось
бы. Но самое главное заключается в том, что в результате исследований удалось открыть ряд
важных явлений, знание которых указало пути новых исканий.
СИЛЬНЕЕ МОЛНИИ
Опыты с разрядами в плазме принадлежат к числу труднейших исследований
экспериментальной физики.
Чтобы вызвать к жизни явления, предсказанные теорией, пришлось применить
колоссальные электрические поля и ничтожные по длительности импульсы тока огромной
силы. События в разрядных трубках разворачивались с молниеносной быстротой — меньше,
чем за миллионные доли секунды. И изучить их можно было лишь при помощи сложнейшей,
специально разработанной аппаратуры.
Физики применяли быстродействующие осциллографы, где неуловимые электрические
процессы фиксировались движением электронного луча по светящемуся экрану. На службу
были поставлены приборы сверхскоростной киносъемки, делающие за секунду до двух
миллионов кадров. Для мгновенного фотографирования использовали затворы
электровзрывного действия.
В фарфоровые разрядные трубки со стеклянными окошками были введены
многочисленные зонды — прополочные катушечки, петельки, игольчатые электроды — для
улавливания электрических и магнитных характеристик явлений. Давление в трубке
измерялось тончайшими пьезоманометрами.
Естественно возникло сомнение: не исказит ли это множество измерений исследуемые
процессы? Серия экспериментов убедила ученых, что такие опасения не напрасны— разряды
могут быть изучены более или менее надежно лишь при условии введения соответствующих
поправок в истолкование наблюдений.
И вот включаются рубильники для решающих экспериментов. От батареи
конденсаторов, заряженной до 20—50 тысяч вольт, в трубки на атомы газа низвергается
огромная сила электрического поля. Токи разрядов достигают сотен тысяч и даже миллионов
ампер. В плазме выделяется колоссальная мощность — до 40 миллионов киловатт, что выше
мощности сильнейшего удара молнии.
Опыты повторяются множество раз — в трубках разных размеров (диаметром от 5 до
60 сантиметров) и длиной разрядного промежутка от нескольких сантиметров до двух
метров. Чтобы лучше уяснить закономерности разряда, кроме водорода и дейтерия, трубки
наполняются другими газами — гелием, аргоном, ксеноном и газовыми смесями: дейтерия с
гелием, дейтерия с аргоном, дейтерия с ксеноном. В широких пределах меняется начальное
давление газа — от 0,005 миллиметра ртутного столба до одной атмосферы.
Работают точнейшие приборы, фиксируя все подробности фантастически быстрых
процессов гигантской мощности. Составляются протоколы, таблицы, лабораторные
дневники. Систематизируется уникальнейший фото- и киноматериал. Над расшифровкой
бесчисленных показаний аппаратуры кропотливо трудятся вычислители, вскрывают
запутанную логику событий физики-теоретики. И постепенно подлинная картина процессов,
происходящих в разрядных- трубках, начинает проясняться.
Какова же она?
В РАЗРЯДНЫХ ТРУБКАХ
В первые мгновения после пробоя и начала ионизации газа импульс тока движется
вдоль самых стенок трубки. Это поверхностное распределение высокочастотных токов давно
известно в электротехнике и носит название скин-эффекта.
Но разрядный ток молниеносно нарастает. Растет и сила рожденного им собственного
магнитного поля. Из-за этого пленка плазмы начинает отрываться от стенок. Кольца силовых
линий стягивают ее к середине трубки, сдавливают ее, словно растянутые, а потом
отпущенные резиновые колечки. Пинч-эффект делает свое дело.
Плазменная цилиндрическая пленка с колоссальной скоростью сжимается, удаляясь от
стенок к центру. При начальном давлении газа в 0,1 миллиметра ртутного столба скорость
сжатия доходит до 120 километров в секунду. Через несколько микросекунд хаос
сталкивающихся вблизи оси трубки частиц набирает предельную силу — температура в
плазменной струйке приближается к миллиону градусов! До этого ни при каких
лабораторных опытах не удавалось достичь столь сильного нагрева вещества.
Но не зря говорят: «Как аукнется, так и откликнется».
Лишь ничтожные мгновения длится натиск плазменных частиц, гонимых магнитным
полем. Вслед за сжатием утрамбованный шнур плазмы силой собственного газового
давления стремится снова расшириться. Возникают пульсации плазменного ручья, он
делается неустойчивым. Едва заметные местные увеличения толщины шнура мгновенно
раздуваются и нарушают устойчивость разряда. Так же действуют и крошечные уменьшения
толщины плазменного ручейка. Они тоже влекут за собой разрыв шнура и прекращение
разряда.
Итак, многие предсказания теории опытом подтверждены. Магнитное поле оттянуло
разряд от стенок трубки и изолировало его. Впервые в истории науки в лабораторных
условиях, без всякой бомбы получен колоссальный нагрев вещества — в миллион градусов.
Это уже огромный успех.
Эксперименты открыли и немало новых явлений. Стало известно, что в плазменном
разряде сжатие не уравновешивается газовым давлением. Процесс получается
нестационарным. Едва возникнув, он начинает пульсировать и затухает.
Выяснилось и другое очень важное обстоятельство: оказалось, что развитием разряда в
некоторых пределах можно управлять извне. Разрядную трубку помещали внутрь
проволочной катушки с электрическим током. Внутри катушки, а следовательно, и в
разрядной трубке, возникало продольное (направленное по оси трубки) магнитное поле. И
плазменный разряд в таком снаружи наложенном магнитном поле протекал дольше, чем без
него. Об этом мы еще поговорим впереди.
И, наконец, еще одно интересное наблюдение.
ТАИНСТВЕННЫЕ НЕЙТРОНЫ
При миллионе градусов термоядерные реакции в дейтерии почти не происходят:
слишком толста еще броня сил электрического отталкивания, слишком мало шансов на
совершение «чуда» подбарьерного перехода, о котором вы читали в главе «Право сиять».
Слияния дейтонов там необычайно редки, и зафиксировать их практически невозможно.
Каково же было удивление экспериментаторов, об наруживших в 1952 году, что во
время плазменного разряда в дейтерии... выделяется довольно много нейтронов. Казалось
бы, налицо верный признак термоядерного развития реакции:
Кое-кто, вспоминают участники исследований, начал тогда скакать от радости на одной
ноге. Кое у кого возникло сомнение в отрезвляющих предвидениях теории и забрезжила
надежда на «преждевременный» термоядерный процесс. Но характер нейтронного излучения
оказался совсем не тем, который мог наблюдаться при термоядерной реакции.. И истинная
причина появления загадочных нейтронов вскоре стала проясняться.
Вы ведь помните, что солнечные реакции отлично удается воспроизводить и на
ускорителях заряженных частиц. Так вот, во время стягивания плазменного шнура, видимо,
возникают явления, подобные тем, которые совершаются в ускорителях. Внутри
цилиндрического плазменного слоя в какой-то момент остается пустое пространство 7. Там
атомные ядра дейтерия ускоряются, сталкиваются с разгона и вступают в реакции синтеза,
освобождая нейтроны. Но, как и в обычном ускорителе, подобные события очень редки, а
главное, не учащаются с повышением температуры, не ведут к самоподдерживающемуся
цепному процессу.
Одновременно с нейтронами плазма испускает при разряде рентгеновские лучи. Они
могут возникнуть лишь при резком торможении быстролетящих электронов (таким способом
обычно и получают рентгеновские лучи для практических целей). Но, оказывается, здесь
энергия рентгеновских фотонов в десятки раз выше, чем это дозволяет разгон электронов во
внешнем электрическом поле. Значит, каким-то способом ускоряются и эти частицы. А
тормозясь при столкновениях, ускоренные электроны порождают рентгеновские фотоны
больших энергий.
Как мы видим, во время сжатия плазменного шнура возникает не только тепловой хаос,
не только разогрев вещества. Какая-то доля энергии расходуется на упорядоченное (и здесь
— вредное, отнимающее энергию) ускорение заряженных частиц плазмы. Это тоже
непредвиденное явление, но весьма существенное для дальнейших работ.
ВСЕМУ МИРУ
Весной 1956 года в английском научно-исследовательском атомном центре в Харуэлле
академик И. В. Курчатов сделал обстоятельный доклад о трудах советских ученых,
направленных на обуздание термоядерных реакций.
Перед английскими физиками, а затем и перед физиками всех стран раскрылся новый
мир идей и фактов, представляющих огромную научную ценность. Весть о том, что русские
ученые закончили серию труднейших экспериментов, которые в Харуэлле лишь
планировались, поразила аудиторию. Но с еще большим удивлением и радостью приняли
англичане полноту описания опытов — их методики, технического оснащения, результатов,
теоретических предпосылок и выводов.
Газета «Дейли экспресс» писала тогда, что цифры и формулы, сообщенные
докладчиком, «...считались бы совершенно секретными в Англии и Соединенных Штатах».
Да, это так. И тем не менее несколько месяцев спустя в советском журнале «Атомная
энергия» появились статьи, дополняющие доклад И. В. Курчатова и с предельной полнотой
освещающие самые тонкие стороны проведенных работ.
Наша Родина подарила миру итоги первых шагов на пути к созданию человеком
7 Это тем более вероятно потому, что вблизи оси шнура из-за! колоссального повышения температуры
и газового давления резко уменьшается плотность плазмы.
искусственного солнца, к сказочному обилию энергии.
Можно понять харуэллцев, устроивших овацию «бородатому русскому ученому»,
посланцу великой страны, приехавшему к ним с добрыми и полезными вестями.
НОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
Публикация итогов первых советских работ в области плазменного разряда сослужила
немалую службу. Повсюду всколыхнулась творческая мысль физиков. Смягчился режим
секретности. На страницах научной печати все чаще стали появляться отчеты об
исследованиях в том же направлении. Сотни ученых стали думать о том, как бы сделать
плазменный разряд устойчивее, долговечнее, горячее.
И опять в авангарде разведчиков искусственного солнца шли физики нашей страны.
В тонком, кропотливом труде текли будни лабораторий. Успехи часто сменялись
неудачами, но шаг за шагом труднейшая задача решалась.
Дальше продвинулись и эксперименты, о которых мы рассказали в этой главе, —
изучение разрядов в прямых трубках.
В сентябре 1958 года, на Второй международной конференции по мирному
использованию атомной энергии, советские исследователи подробно доложили об этих
новых опытах.
Как еще выше поднять температуру плазменного разряда в прямой трубке?
Уж раз жизнь плазмы в таком разряднике коротка, надо усилить электрический удар по
ней, сделать его более резким. Для этого требуется выше поднять напряжение, подводимое к
трубке, и постараться, чтобы установка как бы меньше «пружинила», тормозила ток. На
языке электротехники это значило — свести к минимуму индуктивность, мешающую
быстрому развитию процесса.
Остроумные усовершенствования помогли сотрудникам Института атомной энергии
значительно сократить индуктивность разрядных устройств и довести напряжение,
подаваемое к трубке, более чем до 100 тысяч вольт. Нарастание силы тока в электрическом
разрядном импульсе было резко ускорено, и в результате плазму удалось раскалить, по
самым осторожным оценкам, до температуры свыше 3—4 миллионов градусов! То был
новый рекорд лабораторного нагрева вещества.
Столь сильно разогретая плазма стала заметно излучать нейтроны. И теперь уже
многие из них можно было считать вестниками затеплившегося огонька термоядерного
синтеза.
Правда, нейтронов выделялось еще очень мало. Да и не все физики были согласны в их
безусловной принадлежности «к благородной расе потомков термоядерных реакций», считая
их «детищами темного ускорительного процесса» (слова академика Л. А. Арцимовича).
Однако возникшие поначалу споры об источнике нейтронного излучения плазмы вскоре
были признаны бесполезными. И без них задача оставалась ясной: выше и выше поднимать
температуру плазмы. Когда при каждом импульсе станет выделяться больше триллиона
нейтронов, никто не усомнится в факте начала термоядерного процесса.
Опыты с разрядами в прямых трубках, с которыми связан начальный период борьбы за
искусственное солнце, принесли колоссальную пользу науке. Они будут разворачиваться и
впредь, помогая улавливать тончайшие закономерности поведения сверхгорячей плазмы.
И все же в наши дни приходится признать, что такие разрядные устройства едва ли
послужат прообразами мирных термоядерных реакторов будущего. Слишком уж грубо в них
электрический ток обращается с плазмой: бьет ее молниеносным ударом исполинской силы.
Подсчитано, что для эффективного освобождения термоядерной энергии такой удар должен
иметь мощность взрыва 10 тонн тола! Еще более мощным стал бы ответный удар
освободившейся в плазме энергии синтеза ядер. Ясно, справиться с подобными взрывами
техника практически не сможет.
Значит, с плазмой надо обращаться осторожнее.
4. РАСКАЛЕННЫЙ ВИХРЬ
НЕОБХОДИМА ОСТОРОЖНОСТЬ
История обуздания реакций синтеза совсем не похожа на путь освоения процессов
деления атомных ядер. Расщепление ядер урана сначала было осуществлено в простейшем
реакторе, и лишь потом появилась атомная бомба. Синтез гелия, наоборот, начался на Земле
чудовищным водородным взрывом. И только после этого усилия исследователей
сосредоточились на поисках реактора для управляемого процесса ядерного синтеза.
Сначала в термоядерной бомбе на плазму научились обрушивать гигантский удар
атомного взрыва. И она отвечала катастрофой водородного взрыва. Потом в лабораторных
условиях в прямых разрядных трубках испробовали молниеносный электрический удар по
плазме, влекущий за собой такое же быстрое ее магнитное сжатие и разогрев. Итоги этих
опытов, как мы видели, тоже не слишком обнадежили разведчиков мирного термоядерного
синтеза. И здесь плазма оказалась взрывоопасна.
Иное дело, если бы удалось «вежливо» разогреть ее. Тогда она столь же спокойно
выделила бы энергию синтеза своих атомных ядер. Не мгновенный удар, а сравнительно
медленный напор — вот к чему надо стремиться. Конечно, скорость подъема температуры
должна все же быть достаточно большой, чтобы выполнялось знакомое нам уже условие
обгона нагревом нарастающего излучения энергии раскаленной плазмой. Но в сильно
разреженном виде плазма почти прозрачна и излучает сравнительно мало энергии. Такую
плазму можно сжать и довести до гигантских температур сравнительно медленно, не
нарушая равновесия между ее газовым давлением и внешним сжатием.
Осторожный, «вежливый» не приводящий ни к каким взрывам режим разогрева
плазмы, как показали теоретические изыскания, возможен. Но прямые разрядные трубки для
этого не годятся. Вся беда — в электродах, подводящих ток. В прямой трубке заряженные
частицы, едва возникнув, мчатся к электродам и выбывают из игры. Потому-то там и коротка
жизнь плазмы.
Есть еще одна помеха развитию высокой температуры при разряде в прямых трубках.
Мы помним, что тепловую энергию там помогает сберечь «шуба» собственного магнитного
поля. Однако эта шуба оставляет в ручье плазмы уязвимые места: ведь шнур огражден от
холода лишь с боков. Хоть стенок трубки он не касается, но до электродов дотрагивается. И
при медленных, «вежливых» разрядах контакт с холодными электродами грозит отсосать из
плазмы значительную долю ее столь трудно добытого звездного жара. «Жаропонижающим»
служат тяжелые атомы материала электродов.
Во время разряда они врываются в плазму из электродов, будто струя пены из
огнетушителя в пылающий костер. Словом, электроды весьма нежелательны. Они гасят жар
плазмы, неминуемо остужают ее.
Где же выход?
ВИТОК ИЗ ПЛАЗМЫ
А что, если попытаться осуществить плазменный разряд, не прибегая к услугам
электродов? Пусть, например, плазма вихрем несется по кольцу и не натыкается ни на какие
электроды! Ведь это сразу увеличило бы ее жизнь. Разряд получился бы куда долговечнее,
нарастание тока можно было бы сделать гораздо плавнее, удар по плазме смягчился бы.
Вместе с тем кольцевой безэлектродный разряд укутал бы плазму в магнитное одеяло «с
головой и ногами», избавил ее от вредного леденящего балласта тяжелых ядер, вылетающих
из электродов.
Как видите, кольцевой разряд — дело заманчивое.
Но как его осуществить?
Непосвященному кажется, что проводники, подводящие к плазме ток, совершенно
необходимы. Но физики и здесь нашли остроумный выход.
Кому не известно простейшее электротехническое устройство — трансформатор. Его
можно увидеть в любом радиоприемнике. Назначение трансформатора—преобразовывать
переменный ток: из тока высокого напряжения получать ток низкого напряжения и наоборот.
Достигается это просто. На железный сердечник помещены две изолированные друг от друга
обмотки: первичная, на которую подается преобразуемый ток, и вторичная, откуда
снимается ток преобразованный. Переменный ток первичной обмотки создает переменное
магнитное поле и железном сердечнике. А оно, в свою очередь, наводит переменный ток во
вторичную обмотку, намотанную на тот же сердечник. Вот и все. Причем обратите
внимание: вторичная обмотка не имеет никакого контакта с первичной. А для возбуждения
кольцевого плазменного разряда как раз и требуется освободиться от контактов.
Словом, у физиков возникла идея: устроить «звездную спичку» в виде трансформатора.
На железный сердечник решили намотать обычную проволочную первичную обмотку, с тем
чтобы роль вторичной обмотки передать... плазме.
Час от часу не легче!
Попробуй-ка намотай на что-нибудь разреженный газ, да еще раскаленный до звездных
температур! Но суть дела не так уж сложна.
Вторичная обмотка должна состоять из одного-единственного «газового витка».
Представьте себе замкнутую круглую трубу в форме баранки. На языке геометрии
подобное тело именуется тором. Баранка эта окружает железный сердечник с первичной
обмоткой. Можно обойтись и без сердечника— лишь бы тор охватывался первичной
обмоткой. А внутри камеры находится сильно разреженный газ — тот самый, в котором
должен происходить кольцевой плазменный разряд.
На этом принципе действуют так называемые тороидальные камеры — разрядные
устройства, на которые сейчас возлагают большие надежды ученые, штурмующие проблему
управляемого термоядерного синтеза.
„ РЕЗИНКИ“
Мы рассказали лишь о принципе устройства тороидальных разрядных камер. На самом
деле они много-сложнее. Особых приспособлений требует, например, борьба за
устойчивость плазменного потока, забота о том, чтобы частицы плазмы, двигаясь, поменьше
виляли в стороны, придерживались предписанного им кольцевого пути и не «дрейфовали» к
стенкам этой камеры-баранки.
Ведь и в прямой разрядной трубке плазменный ручей оказался, как вы помните, весьма
нестойким. Он слишком быстро разрушался. Его губили молниеносно раздувающиеся
пузырьки, ничтожные уменьшения его толщины, коленца и т. д. В тороидальных же камерах,
где разряд обязан существовать гораздо дольше, чем в прямых трубках, все эти дефекты
шнура плазмы должны быть особенно опасны.
Как избавиться от них?
На этот раз физики уподобились... портным.
Они решили «прошить» шнур плазмы укрепляющими нитями, или, лучше сказать,
«резинками».
Это звучит не слишком правдоподобно. Что за нити? Какие резинки? Ведь плазма
раскалена до колоссальной температуры! Однако «прошить» ее все же удается. Роль
«резинок» можно поручить дополнительному внешнему магнитному полю, направленному
вдоль плазменного тока. Создать такое поле нетрудно. Достаточно намотать на разрядную
трубку проволочную катушку и пропустить через нее постоянный ток. Вы помните, что еще
в первых экспериментах с прямыми трубками продольное поле увеличивало жизнь
плазменного ручья. Почему же?
Магнитное поле, «продернутое» вдоль шнура плазмы, как бы натягивает его, придает
ему упругость и эластичность. Теперь мелкие неоднородности шнур будет выправлять сам.
Нечто похожее происходит с мягкой текстильной тесьмой, если продернуть через нее
настоящие резинки.
Вот в какой-то мере мы застраховались от губительного действия мелких
неоднородностей ручейка плазмы.
Иной режим получается при очень сильном внешнем продольном поле. Тогда плазма
не стягивается в шнур при разряде, а равномерно заполняет камеру. Разогреваться плазма
будет не под действием пинч-эффекта, а просто из-за своего сопротивления току — подобно
спирали в электрической плитке. Однако такой разряд может быть достаточно устойчивым и
горячим лишь, если поток плазмы надежно отодвинут от стенок камеры. Возможно ли это?
“РЕССОРЫ"
Изоляция от стенок разрядной камеры требует особых забот как при сильном, так и при
слабом дополнительном укрепляющем поле. И тонкий плазменный шнур может, оставаясь
однородным по толщине, вдруг равномерно расшириться или изогнуться змейкой и
дотронуться своим нежным раскаленным тельцем до ледяной стенки. Тогда он мгновенно
остынет, и разряд прекратится.
Любопытно, что стенка при этом почти не пострадает. Несмотря на
миллионоградусный жар плазменного ручейка, тепловой энергии в нем сосредоточено
мало8. Поэтому получается, что не столько стенка разогревается от шнура, сколько,
наоборот, шнур остывает от стенки.
Но и от таких аварий нашлось средство.
Поиски привели к неожиданному и удивительно простому предложению. Оказалось,
что можно заставить саму стенку отталкивать приблизившийся шнур плазменного разряда,
сжимать его. И требуется для этого лишь одно: переменить материал трубки. Делать ее
следует не из стекла или фарфора, а из толстого слоя металла. Почему?
Металл — это своего рода тормоз для магнитного поля.
Проникая в металл, магнитные силы возбуждают в нем вихревые движения электронов.
Это ведет к рождению в металле собственных магнитных полей. Но «ответное» магнитное
поле металла направлено всегда против поля-«пришельца», которое благодаря этому
проходит через металл с трудом, преодолевая сопротивление, задерживаясь. К примеру,
через десять сантиметров меди магнитное поле проходит за целую секунду.
8 Тепловой энергии, содержащейся в литре плазмы с температурой даже в 350 миллионов градусов при
давлении в 0,001 атмосферы, едва хватит на то, чтобы вскипятить стакан воды.
Явление это известно давно и широко используется в электротехнике. На нем основан,
в частности, бытовой электросчетчик. Там задержанный магнитный поток заставляет
двигаться металлический диск. И это же явление может спасти шнур плазмы от
прикосновений к металлической стенке разрядной трубки. Ведь плазменный ручеек окружен
магнитным полем. Приближаясь к металлу, оно как бы вязнет, задерживается. Торможение
поля влечет за собой торможение шнура. Словом, магнитное поле здесь действует как
рессора, которая мешает шнуру удариться о металлическую стенку трубки и сдавливает,
укрепляет поток плазмы.
КОЛЬЦЕВОЙ РАЗРЯД
Вот нам и стали понятны основные черты тороидальных разрядных установок.
Камера-баранка, размещенная каким-либо способом внутри первичной обмотки,
которую можно соединить с батареей конденсаторов, накапливающих электрический заряд
для импульса, должна быть освобождена от воздуха, а затем наполнена сильно разреженным
термоядерным горючим.
Снаружи тор обвивают дополнительной обмоткой. Пропуская по ней постоянный ток,
удается создать магнитное поле, предназначенное для выправления мелких неоднородностей
и искривлений в шнуре плазмы. Известно нам и средство, оберегающее плазменный ручеек
от губительных прикосновений к стенкам: тор надо выполнить из металла (часто его делают
из металлических колец с неметаллическими промежутками, чтобы вся баранка в целом
была электрическим изолятором и чтобы без помех пропускать извне внутрь трубы
магнитное поле).
Все готово к эксперименту.
На первичную обмотку от батареи конденсаторов подается электрический импульс
очень высокого напряжения. Как и в любом трансформаторе, этот импульс наводит сильный
ток во вторичной обмотке — в «витке» газа, заключенного в тор.
Конечно, наведенный ток с большой охотой побежал бы по металлической проволоке.
Но выбора у него нет. Волей-неволей приходится пробивать себе путь в газе.
В первое мгновение это нелегко. Газ — хороший изолятор. Поэтому перед разрядом его
полезно сделать хоть немного электропроводным. Для этого газ в торе каким-либо способом
ионизируют — предварительно отрывают от небольшой части его атомов электроны. Из
нейтральных атомы тогда делаются электрически заряженными. Это облегчает развитие в
торе разряда.
Ток нарастает, ибо электрически заряженные частицы сразу же подхватываются
наведенным полем. Ионизируется все большее количество атомов. Возникает плазма. А она
проводит ток не только не хуже, но гораздо лучше, чем металл. Разряд в такой «стерильной»,
свободной от примесей плазме, ни на что не натыкающейся в стремительном вихре, да еще
со всех сторон укутанной в магнитное поле, должен длиться значительно дольше, чем в
прямых трубках, и, если верить предсказаниям теории, может сопровождаться весьма
большим подъемом температуры.
КАМЕРЫ-БАРАНКИ
Опыты в тороидальных камерах советские физики ведут уже давно. Еще в 1953 году
молодой теоретик В. Д. Шафранов разработал теорию устойчивости разрядов в подобных
аппаратах. И они строились нашими исследователями в разных вариантах.
Примером разрядной камеры, устроенной в виде баранки, может служить крупная
тороидальная установка Института атомной энергии — воздушный (без железного
сердечника) трансформатор, первичная обмотка которого (20 витков толстой медной шины)
навита прямо на камеру-баранку с внутренним диаметром трубы в полметра и средним
диаметром тора метр с четвертью. Советские физики докладывали об этой установке на
Второй женевской конференции осенью 1958 года. Более внушительные размеры имеет
тороидальная установка «Зэта» в Харуэлле (Англия). Она была изготовлена под
руководством знаменитого физика Джона Кокрофта и вступила в строй в 1957 году. Это —
трансформатор с двумя железными сердечниками, которые охватывают тор на манер звеньев
цепи. Первичная обмотка сделана на сердечниках. Наконец, еще большие размеры, чем
«Ззта», имеет советская камера «Альфа», также с железными сердечниками. Диаметр ее
трубы—1,5 метра, а средний радиус тора — 3 метра.
Жизнь плазмы в современных тороидальных камерах длится несколько тысячных
долей секунды — вместо миллионных долей секунды, как в прямых трубках. Разряд
получается в тысячи раз долговечнее! Это, бесспорно, немалый успех.
Однако программа, рисовавшаяся в умах теоретиков, опытами еще далеко не
выполнена. Очень высоких температур в тороидальных установках возбудить пока не
удалось. Мешает многое. Металлические стенки камер, дополнительное укрепляющее поле
хоть и помогли разряду, но не дали возможности решить задачу до конца. Физики еще не
научились запускать кольцевой вихрь плазмы вполне устойчиво.
Что ж, не мудрено. Плазма не велосипедное колесо.
Но если дальше вести такое сравнение (как это сделал в одном, из своих выступлений
Л. А. Арцимович), то придется согласиться, что человек, впервые увидевший велосипед, едва
ли признает его устойчивым экипажем. Поучившись же, любой из нас становится отличным
велосипедистом. Видимо, и физики сумеют в конце концов создавать устойчивое движение
плазменных «колес».
МЕДИЦИНА И АСТРОФИЗИКА
К больному приглашен врач. С чего он начинает? С того, что узнает симптомы
болезни: осматривает человека, измеряет температуру, кровяное давление и т. д. Физики,
желающие «вылечить» плазму, сделать разряды устойчивыми и долговечными, поступают
примерно так же: определяют температуру плазмы, стараются отыскать «симптомы» ее
«заболеваний».
Очень неприятно, когда врачу, чтобы поставить диагноз, приходится вторгаться внутрь
организма больного, Гораздо проще все узнать по внешним признакам и со слов
заболевшего. Физик, изучающий плазму, тоже не любит теперь бесцеремонно врезаться в ее
нежное тело всякого рода зондами и датчиками. Куда удобнее и надежнее судить о
состоянии плазмы по испускаемым ею излучениям.
Но таким способом давно пользуются астрофизики — исследователи Солнца, звезд,
далеких галактик (вы ведь помните: именно солнечный луч выдал ученым бесчисленные
секреты нашего светила).
Неудивительно, что в диагностике плазмы (отрасль физики, получившая свое имя от
чисто медицинского и всем известного термина «диагноз») лучшими считаются
астрофизические способы исследования. Изучая плазму, ученые подошли даже к созданию
новой научной дисциплины, название которой звучит парадоксально: «экспериментальная
астрофизика».
Да, раз уж речь идет об изготовлении искусственных небесных светил, то и изучать их
приходится по-астрономически.
В наши дни диагностика плазмы и экспериментальная астрофизика делают еще только
первые шаги. Уверенно устанавливать температуру плазмы, выявлять симптомы плазменных
недугов, разыскивать их глубинные причины пока очень трудно. Это особенно отчетливо
проявилось при экспериментах с тороидальными камерами.
Например, измерение температуры разряда было необычайно сложной задачей для
экспериментаторов, работавших на «Зэте». Обычный спектральный метод, по которому
физики узнали, как нагрета атмосфера Солнца, оказался негодным, ибо раскаленная
дейтериевая плазма почти не светилась. Ведь свет испускают атомы, а в дейтериевой плазме
они были вдребезги разбиты.
Решили пойти обходным путем.
В дейтерий добавляли малые примеси более тяжелых атомов (кислорода, азота). Они
хоть и разбивались в разряде, но не полностью и поэтому оставались способными испускать
свет. По тонким же особенностям спектров излучения таких наполовину разрушенных
атомов можно пытаться судить о скоростях их движения. А отсюда уже следовали
заключения о температуре плазмы.
Эту методику измерения температуры многие физики признали чересчур сложной,
недостаточно разработанной и потому не слишком надеждой. Измеряться могла не только
температура, но и просто скорость разогнанных, как в ускорителе, сгусточков плазмы.
Недаром первоначальную, оценку температуры разряда в «Зэте» (5 миллионов градусов)
впоследствии подвергли сомнению сами же английские ученые. В действительности там
развивается не более миллиона градусов (а вернее всего, еще гораздо меньше).
С ошибкой в измерении температуры был связан и другой просчет английских
экспериментаторов. Нейтроны, выделявшиеся при разрядах, они поначалу приписали
термоядерным реакциям. Но потом новые опыты разубедили их в этом.
Вообще желание скорее приблизиться к манящим вершинам звездных температур
подчас толкает физиков на поспешность в заключениях. Один из американских институтов
заявил о достижении в простенькой настольной тороидальной камере температуры в 6
миллионов градусов. Мало кто верит этому. Однако стремление обогнать время не вызывает
этих усмешек. Оно вносит теплоту, милый человеческий задор во всемирное соревнование
искателей «звездной спички». Уж очень она нужна людям! Недаром наука так торопится.
ПИТАНИЕ ТРУБОК
Курс на рекорды звездного нагрева плазмы, взятый современной экспериментальной
физикой, заставляет искать новые и новые пути совершенствования разрядных устройств.
Камеры становятся все крупнее, улучшается система откачки из них воздуха и очистка
термоядерного горючего. Физики всеми силами стараются спасти плазму от тяжелых атомов,
попадающих в нее из стенок камеры.
Одно из направлений — подъем мощности электрического импульса, вызывающего
плазменный разряд. Немалый эффект сулит здесь, в частности, увеличение емкости
конденсаторных батарей, накапливающих электричество для импульса. Благодаря
появлению новых диэлектрических материалов — титанатов бария, открытых советским
ученым Б. М. Вулом, — удается значительно уменьшить размеры конденсаторов, повышая
одновременно их емкость.
Но не следует забывать, что конденсатор—лишь копилка энергии. Собранное
электричество практически мгновенно «вытекает» из нее. На новую зарядку конденсаторной
батареи уходит время. А пока конденсаторы заряжаются, разрядная установка бездействует.
Гораздо лучше питать разрядные камеры непосредственно от мощного источника
электрического тока. И такая возможность существует.
В Австралийском национальном университете взамен конденсаторов разрядная
установка оснащается большим униполярным генератором. Что это такое?
Всем известна обыкновенная динамо-машина, где электрический ток рождается в
проволочной обмотке якоря, вращающегося между неподвижными полосами магнита. Так
вырабатывают ток достаточно высокого напряжения, но не слишком большой силы, ибо
сильные токи в тонкой проволоке обмотки протекать не могут. Укорачивая обмотку якоря
динамо-машины и делая ее более толстой, вы добьетесь увеличения силы тока. А если
вместо обмотки якоря применить просто сплошной металлический диск? Тогда и получится
униполярный генератор. Соединив центр вращающегося диска с краем, мы снимем
максимальный ток.
Униполярный генератор Австралийского университета выглядит весьма солидно.
Четыре его диска, сделанные из малоуглеродистой стали, весят по 19 тонн каждый. Они
вращаются между полосами громадного магнита со скоростью 900 оборотов в минуту. Ток
достигает миллиона ампер. Никакими твердыми контактами — щетками — снять его с
дисков невозможно. Для этого приходится применять струи расплавленного металла натрия
или сплава натрия с калием. Конструкторы генератора полагают, что каждый мощный
импульс будет длиться не менее полусекунды. Это в тысячи раз дольше, чем в тороидальных
установках, и в миллионы раз дольше, чем в прямых разрядных трубках, питаемых от
батарей конденсаторов.
Немало мер «оздоровления» и укрепления плазменных разрядов изучают сейчас
физики. И они твердо надеются на успех. Речь идет о конкретных путях подъема
температуры этим способом до 15, даже до 25 миллионов градусов. Многое, очень многое,
правда, еще предстоит проверить на опыте.
Однако всегда ли необходимы сами разряды?
5. ИСКУССТВЕННОЕ СОЛНЦЕ
БЕЗ РАЗРЯДОВ
Дорога к искусственному солнцу отнюдь не прямая, отнюдь не гладкая. Это скорее
лабиринт, где нелегко отыскать верное направление, где часто попадаются провалы и
тупики. Неудивительно поэтому, что поход искателей «звездной спички» разворачивается
широким фронтом. Опыты с электрическими разрядами в плазме, о которых вы читали до
сих пор, занимают лишь отдельный участок этого фронта.
При электрических разрядах плазма с неудержимой стремительностью движется и
разогревается «на ходу». Именно движение плазменного ручья порождает те магнитные
объятия, которые сдерживают поток частиц и сжимают его, повышая температуру. В бешено
мчащемся потоке плазмы частицы как бы держатся друг за друга, и он сам себя укутывает в
«пеленки» магнитного поля. Однако пеленки эти получаются довольно-таки жиденькими.
Правда, кроме собственных магнитных сил, в разрядных камерах на плазму действуют и
дополнительные поля, наложенные извне, — все эти «резинки» и «рессоры», о которых вы
читали выше. Но они не играют основной роли в удержании и нагреве плазмы, а служат, по
выражению Л. А. Арцимовича, всего лишь «лекарством» для борьбы с неустойчивостями.
В 1953 году советский физик Г. И. Будкер (ныне член-корреспондент Академии наук
СССР) задумал освободить рыхлую, развалившуюся плазму от необходимости одеваться «на
бегу» в самодельные слабенькие магнитные «пеленки». Ученый предложил попробовать
задержать электрически заряженные частицы плазмы, устроив для них прочную и теплую
магнитную постель. После этого можно без излишней торопливости, спокойно и мягко
каким-либо способом извне воздействовать на плазму, с тем чтобы вызвать уже совсем
спокойное ее термоядерное «горение».
Отметим сперва, что физики хорошо научились заранее заготавливать плазму. Для
этого служат всякого рода плазменные источники, где плазма образуется с помощью газовых
разрядов или, скажем, взрывов тонких проволочек, а затем «выплевывается» более или менее
плотными струями или сгустками.
Есть высокочастотные генераторы, которые выбрасывают в пустоту баранки плазмы,
будто завзятый курильщик— колечки табачного дыма. Дымовое колечко тут же
расплывается в воздухе. А плазменная баранка, двигаясь в магнитном поле, быстро
стягивается в довольно плотный комок. Заряженные частицы в нем стремительно несутся к
центру, навстречу друг другу. Энергия столкновений частиц получается примерно такой же,
как при нагреве до 20 миллионов градусов. Правда, время существования этого подобия
сверхвысокой температуры ничтожно мало.
Плазменные «заготовки» физики умеют также сильно ускорять, «подгоняя» их
электромагнитным полем. Скорость комков плазмы может быть доведена до сотен
километров в секунду. И если резко затормозить, «схватить» такой быстро летящий сгусток,
то энергия его движения перейдет в тепло.
Как же поймать плазму?
Воду горного потока можно замедлить и накопить, если выкопать в каком-то месте
русла котлован. Подобный метод годится и для ручья плазмы. Только «котлован» здесь
придется построить из... магнитного поля.
В МАГНИТНОЙ ЛОВУШКЕ
Когда электрически заряженная частица влетает в магнитное поле, она начинает
двигаться не прямо, а по дуге окружности. Такое поле не замедляет и не ускоряет частицу, а
лишь искривляет ее путь. «Завернув» в магнитном поле, частица затем вылетает из него и
преспокойно продолжает свой прямой путь. Выходит, магнитное поле не захватывает
частицу, а лишь отталкивает ее в сторону.
Теперь вообразите, что после того как частица попала в магнитное поле, мы
притормозим ее полет. Энергия движения частицы уменьшится. Поле станет круче
заворачивать ее, заставляя описывать спиральную траекторию. Спиральным сделается путь
частицы и в том случае, если после влета ее в магнитное поле мы усилим это поле. Наконец,
тот же эффект получается, когда заряженные частицы, попавшие в магнитное поле, какимлибо способом разбиваются на осколки. Как более легкие, осколки будут двигаться с
меньшей энергией и тоже начнут описывать спиральные траектории.
В однородном магнитном поле с прямыми силовыми линиями пойманные таким
образом частицы задержатся ненадолго. Двигаясь по путям, похожим на винтовые линии,
они не соберутся в сгусток и быстро выберутся наружу. Значит, для захвата плазмы прямое
поле не подходит.
Как же поступить?
Надо искривить поле.
Представьте себе, что с помощью обмоток, по которым течет постоянный ток, мы
возбудили цилиндрическое магнитное поле, резко усиленное на концах. Структура его
силовых линий напоминает волокна луковицы.
Получилось то, что физики называют «магнитной ловушкой». Это и есть «котлован»
для накопления плазмы. Области же усиленного поля принято именовать «пробками».
Вот в таком «сосуде» захваченную плазму ненадолго задержать и собрать в сгусток уже
удастся. Плененные частицы станут плясать в ней, отражаясь от стенок и пробок. Из
упорядоченного движение частиц сделается хаотическим. Температура сгустка поднимется.
Правда, через пробки плазма все-таки будет «вытекать» наружу. Но тем не менее ее можно
даже успеть дополнительно нагреть. Каким способом?
Если усилить поле ловушки и протолкнуть внутрь одну из пробок, то плазма сожмется
и нагреется, будто воздух под поршнем велосипедного насоса. Можно и растрясти плазму
высокочастотным электромагнитным полем. Это тоже разогреет ее.
„ОГРА“
О поимке и разогреве плазмы путем раздробления (диссоциации) ее частиц в
магнитной ловушке стоит сказать немного подробнее. Для этого способа годятся ионы
молекул водорода, каждый из которых представляет собой пару связанных атомов
(лишенных электрона). Молекулярные ионы надо сначала сильно разогнать в специальном
ускорителе, а затем впрыснуть в ловушку. Там они будут сталкиваться с частицами холодной
плазмы, заранее созданной в ловушке, с нейтральными атомами, друг с другом. И, когда изза столкновений молекулярные ионы развалятся на части, оказавшись в магнитном плену,
когда энергичное движение ускоренного потока частиц преобразуется в их беспорядочную
толчею, температура плазмы поднимется поистине сказочно высоко. Как показывают
расчеты, таким способом плазму можно раскалить до сотен миллионов, даже до миллиарда
градусов!
Справедливости ради заметим, что здесь миллиард градусов — не так уж много. Его
еле хватит на возбуждение самоподдерживающегося ядерного синтеза в смеси тяжелого
водорода со сверхтяжелым. Чистый тяжелый водород в ловушке и при такой температуре не
«загорится». Оказывается, из-за ухода частиц через пробки температура поджога
незатухающей термоядерной реакции в магнитной ловушке гораздо выше, чем в надежно
запертой плазме. Значит, надо стремиться крепче «закупорить» ловушку, что и пытаются
сделать физики. Упомянем и о другой особенности подобных устройств: чем крупнее
ловушка, тем легче в ней разваливаются и захватываются в магнитный плен впрыснутые
молекулярные ионы. Отсюда вывод: размеры ловушки должны быть возможно большими.
Самая крупная из магнитных ловушек Института атомной энергии Академии наук
получила имя «Огра». Построена она под научным руководством лауреата Ленинской
премии И. Н, Головина. Макет этого замечательного инженерного сооружения вызвал
законное восхищение ученых, собравшихся в сентябре 1958 года в Женеве.
«Огра» — широкая стальная труба (внутренним диаметром 1,4 метра), вокруг которой
устроены, обмотки магнитной ловушки.
Расстояние между пробками ловушки может быть доведено до 12 метров. Для
впрыскивания в камеру ускоренных ионов молекул водорода устроен особый инжектор.
Перед экспериментом в камере создается глубочайший вакуум—давление меньше
миллиардной доли атмосферного. Для этого служит система специальных насосов. Об
огромном «аппетите» установки говорит хотя бы то, что одна обмотка ее потребляет до
четырех тысяч киловатт электроэнергии! Целая энергоподстанция обслуживает этот
громадный физический прибор.
Сооружение «Огры», в котором участвовало содружество многих коллективов ученых
и инженеров, завершено летом 1958 года. Сообщалось, что после наладки установка будет
использована для широких экспериментов, направленных все к той же великой дели — к
поискам методов возбуждения мирных термоядерных реакций.
Работа предстоит колоссальная. Еще до постройки «Огры» теоретики предсказали
немало «подводных камней» на пути грядущих исследований. Но трудности не пугают
физиков, твердо уверенных в конечной победе. Настало время, когда движение вперед в
проблеме искусственного солнца возможно лишь с помощью мощнейших
экспериментальных средств, на основе опытов фантастической сложности и точности.
Другой дороги нет.
«Не делая этого, — пишет И. В. Курчатов, — мы напоминали бы того софиста, который
утверждал, что не войдет в воду, пока не научится плавать».
НА БЛИЖАЙШИХ ПОДСТУПАХ
Несмотря на немалые успехи в борьбе науки за искусственное солнце, физики еще
предпочитают говорить, что исследования проблемы пока находятся в стадии разведки. Но
если это и разведка, то, безусловно, очень глубокая. Искатели «звездной спички» уже близки
к разгадке тайны устойчивости плазмы, к долгожданным вершинам сверхвысоких
температур, которые без взрывов воспламенят термоядерный синтез в мирных реакторах
электростанций, заводов, кораблей. Залогом грядущих успехов служит хотя бы то, что чем
дальше продвигаются исследования, тем больше появляется новых идей, новых направлений
экспериментальной работы.
Есть опасение, например, что в обычной магнитной ловушке плазма окажется не
слишком устойчивой из-за выпуклостей на ее поверхности. Целые комки плазмы, отделяясь
от выпуклостей, могут вываливаться наружу. Чтобы избежать таких неустойчивостей, можно
надеяться уложить плазму как бы на магнитные «подушки»— удержать ее системой
магнитных полей, которые всюду сделают поверхность плазменного скопления вогнутой.
Стремясь укрепить, утрамбовать и разогреть плазму, физики предложили и другое —
строить камеры в форме полого кольца, свернутого на манер восьмерки. Плазма в них
укрепляется как бы скрученным в жгут магнитным полем и под напором магнитного же
«насоса» может быть сильно раскалена. Такая идея на Второй женевской конференции была
обо-снована учеными США. Американский физик Л. Спитцер построил на ее основе
экспериментальную камеру под названием «Стеллерейтор».
В докладе Л. А. Арцимовича на той же конференции упоминалась еще одна
возможность: создать внутри замкнутой овальной камеры гофрированное магнитное поле —
в форме трубки противогаза. Подобное поле может быть возбуждено электрическим током в
катушке, навитой по поверхности камеры не сплошным слоем, а отдельными секциями с
попеременно противоположным направлением витков. Поток плазмы в этом устройстве как
бы все время сжимается, фокусируется. Таким образом, должен предотвращаться «дрейф»
плазменных частиц к стенкам камеры.
Все эти системы, однако, еще не вполне удовлетворяют физиков. Заряженные частицы
все же могут «удирать» из них к стенкам камеры, как и через пробки обычной магнитной
ловушки. Ученые же мечтают создать идеальную ловушку — такую, чтобы из нее не сумела
уйти ни одна частица. Собрать плазму в эластичный магнитный мешок и крепко-накрепко
завязать его — вот куда направлена мысль исследователей. И путь к такой идеальной
ловушке уже нащупан: надежно «заткнуть» отверстия в магнитной ловушке способно, как
показали первые опыты, сочетание постоянных магнитных полей с высокочастотными.
Правда, создание полей такого рода требует больших затрат энергии. Но пути к
поискам выхода не закрыты. Очень уж заманчиво добиться того, чтобы плазма висела в
реакторе, ни на что вещественное не опираясь, ни к чему не прикасаясь — будто
легендарный гроб Магомета. Издалека, «по радио», к ней будет подаваться высокочастотное
поле, которое, может быть, не только запрет плазму, но и нагреет ее.
В наших мечтах получается нечто схожее с редчайшим явлением природы — шаровой
молнией. Удивительные особенности ее поведения, вероятно, знакомы читателю. Об этом
рассказывается во многих популярных книгах и статьях. Физическая сущность этого
необычного грозового разряда поныне во многом загадочна для науки. Но в какой-то мере
ее, быть может, законно уподобить плазменному разряду в «закупоренной» магнитной
ловушке. Недаром, по мнению ряда ученых, в шаровой молнии главную роль играют именно
высокочастотные электромагнитные поля.
От грозового облака вниз низвергаются мощные радиоволны. Некоторая доля их
отражается от земной поверхности. Отраженные радиоволны складываются с падающими,
образуя в определенных местах «пучности» — как бы сгустки электромагнитного поля. В
этих местах может происходить разряд — ионизация, сильный разогрев и яркое свечение
газа. Словом, шаровая молния — это видимый и осязаемый «узелок» плазмы на незримых
электромагнитных полях.
Кто знает, возможно, и наше рукотворное солнце будет подожжено более или менее
точным подобием шаровой молнии, созданной искусственным способом.
ПРОГНОЗЫ СРОКОВ
Летом 1955 года, на открытии Первой международной женевской конференции по
мирному использованию атомной энергии, ее председатель индийский физик Хоми Баба
заявил: «Я беру на себя смелость предсказать, что освобождение энергии синтеза
контролируемым способом будет осуществлено в ближайшие два десятилетия». Многим
ученым — участникам конференции — предвидение индийского физика показалось
чересчур смелым. Любопытно, что в числе наиболее закоренелых скептиков оказался и Джон
Кокрофт — тот самый, что возглавляет теперь исследования на «Зэте». Говорят, Баба и
Кокрофт серьезно поспорили на эту тему и даже заключили пари. Но прошло меньше трех
лет, и Кокрофт сделал собственное предположение о минимальном сроке достижения
заветной цели. Какой же период он назвал? Десятилетний!
На Второй международной женевской конференции Баба, верный своему
первоначальному предсказанию, назвал семнадцатилетний период (так как с 1955 года
прошло 3 года). Вообще, на этой конференции уже почти не нашлось скептиков, не
веривших в более или менее скорое решение проблемы мирного термоядерного синтеза.
Исключение составлял, разве, лишь американский «отец водородной бомбы» Э. Теллер. Он
пропагандировал сомнительную и опасную идею промышленного освоения водородных
взрывов— идею, направленную, по существу, к оправданию продолжения вредоносных
испытаний водородных бомб. Овладение же управляемым термоядерным синтезом Теллер
отодвинул к началу XXI века.
Вряд ли стоит гадать о точных сроках окончательного успеха. И. В. Курчатов, выступая
на XXI съезде партии, не счел возможным делать такие предсказания. Ясно лишь, что, хотя
впереди еще огромные трудности, торжественное открытие первенца мирной термоядерной
энергетики не за горами. За это говорит благотворный дух международного научного
сотрудничества в решении великой проблемы управляемого термоядерного синтеза, дух,
который наметился еще после памятного выступления И. В. Курчатова в Харуэлле, затем
развивался и ярко проявился на Второй женевской конференции.
Разумеется, замечательную роль сыграло бы здесь полное прекращение тягостной
«холодной войны».
Во всяком случае, термоядерный реактор будет создан. С этим не спорит никто.
И уже сегодня мы можем кое-что сказать о земном образе искусственного солнца,
сотворенного всепобеждающим человеческим трудом.
Мы должны несколько разочаровать романтиков, которые, читая эту книгу, может
быть, ожидали в конце концов описания какого-то подобия настоящему Солнцу — скажем,
гигантского термоядерного огня, зажженного на искусственном спутнике Земли.
Проблема решится куда проще, будничнее.
Очевидно, то будет скромная обликом электростанция, может быть похожая внешне на
прославленную АЭС под Москвой, которая летом 1954 года открыла эру ядерной
энергетики.
К ТЕРМОЯДЕРНЫМ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯМ
Заглянем в завтра. На берегу небольшой реки воздвигнуто здание, мало похожее на
обычную электростанцию. Никаких дымовых труб, подъездных рельсовых путей с
платформами угля и шлака. Топливо черпается прямо из реки. Или, может быть, запас
тяжелого водорода и лития (из которого прямо в термоядерном реакторе добывается
сверхтяжелый водород) в количествах, гораздо меньших, чем уран для атомной
электростанции, раз в год привозят сюда на небольшом грузовике.
В центре здания станции — термоядерный реактор. Через смотровые окна или
телевизионные установки можно наблюдать его горячую зону — большое облако разогретой
до звездных температур голубоватой плазмы. Это и есть, собственно, искусственное солнце.
Плазма висит в незримом мешке магнитного поля и периодически разогревается.
Повышениями температуры вызываются вспышки цепного термоядерного синтеза.
Если топливом служит смесь дейтерия с тритием, то размер активной зоны не так уж
велик—что-то около метра. И кубометр «горящей» плазмы дает миллион киловатт энергии!
Очень ли обилен окажется поток излучения реактора? Нет, несмотря на сверхвысокую
температуру, он не будет катастрофически огромным. Ведь плотность плазмы ничтожна, и
поэтому прозрачность ее весьма высока.
Значит, и излучает она не слишком сильно—примерно так же, как твердое тело,
раскаленное до 5000 градусов.
5000 градусов — это почти температура атмосферы Солнца. Тем не менее светиться
активная зона реактора будет довольно слабо. Лучистый поток изольется главным образом в
форме невидимых ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, которые не успеют
«постареть», как «стареют» лучи в недрах Солнца, не успеют «раздробиться» в фотоны
видимого света.
Термоядерный «котел» послужит также источником нейтронов. И эти частицы не
пропадут. Они, как мы уже говорили, найдут применение для расширенного воспроизводства
трития. А лучистое богатство тем или иным способом будет преобразовываться в
электрический ток (через посредство теплоносителей, тепловых котлов и турбин, либо с
помощью полупроводниковых батарей).
Однако есть надежда обойтись без теплоносителей, турбин и фотоэлементов.
Весьма заманчив другой метод отвода освобождающейся энергии — простой и вместе с
тем удивительно красивый физически. Его возможности указал в 1954 году упоминавшийся
уже нами Г. И. Будкер. Речь идет о прямом превращении энергии термоядерного синтеза в
электрический ток. Вот суть этого метода.
ПЛАЗМА В РОЛИ ГЕНЕРАТОРА
Атомные ядра изотопов водорода, набравшие в звездном жаре плазмы колоссальные
скорости хаотического движения, будут сталкиваться друг с другом и сливаться, освобождая
дотоле спавшую в них гигантскую энергию. Получившая волю энергия синтеза в
значительной доле (в дейтерии — две трети всей выделяющейся энергии) передастся самим
же атомным ядрам. И они станут двигаться еще быстрее. Но ведь частицы эти —
электрически заряжены. А движение электрических зарядов, как вы знаете, обязательно
порождает магнитное поле. Значит, возникновение мощной самоподдерживающейся
термоядерной реакции повлечет за собой появление столь же мощной вспышки магнитного
поля.
Представим себе теперь, что плазма в реакторе удерживается внешним магнитным
полем. Вот мы усилили поле, сжали плазму, тем самым возбудив в ней цепную
термоядерную реакцию. Энергия синтеза освобождается мощным потоком термоядерного
магнитного поля, которое сметает прочь внешнее поле и вырывается наружу. При этом
плазма расширяется, охлаждается, и цепная термоядерная реакция в ней затухает. Но мы
вновь сжимаем плазму внешним полем, снова вызываем цепной процесс синтеза и
рожденную им могучую вспышку внутреннего магнитного поля. Такие импульсы
повторяются очень часто. И в такт с ними реактор выбрасывает магнитное поле, созданное
термоядерным синтезом. Преодолевая давление внешней магнитной ловушки, оно будет
периодически вылетать из реактора.
«Поймать» это поле — значит уловить термоядерную энергию. Но как это сделать?
Вокруг реактора надо устроить проволочные обмотки.
Вспышки магнитного поля, пересекая их, наведут в них пульсирующий электрический
ток — по тому же самому закону, по которому действует любой современный
электрогенератор.
Кстати сказать, генерирующая обмотка реактора, возможно, будет той самой, которая
создает магнитное поле, сжимающее плазму. Тогда вспышка термоядерного синтеза станет
сначала работать против сил внешнего поля магнитной ловушки, как бы «выгоняя» из
обмотки ток, создающий внешнее поле. А потом в «завоеванной» обмотке термоядерное
поле наведет свой ток — гораздо более сильный, чем тот, что создавал сжимающее поле, и
направленный в противоположную сторону.
Получится нечто вроде молотка, бьющего по пороховому пистону. Слегка ударив
молотком по пистону, мы ощутим резкий толчок назад — работу газов взорвавшегося
пороха. Точно так же, слегка ударяя по плазме током обмотки реактора, мы получим в ответ
мощный удар тока обратного направления. Еще ближе будет сравнение с дизельным
двигателем: термоядерное горючее воспламеняется под давлением невидимого магнитного
поршня, а потом отбрасывает этот поршень, заставляя его наводить мощный ток в обмотках.
Все это должно происходить достаточно быстро и, конечно, автоматически.
Наше искусственное солнце обещает производить электричество без всяких
промежуточных превращений энергии. Никаких турбин, котлов, генераторов. Что может
быть удобнее!
И, наконец, еще одно замечательное достоинство термоядерных электростанций —
чистота, отсутствие радиоактивных отходов. Генерируя энергию, плазма не будет испускать
никаких радиоактивных частиц, кроме нейтронов, которые тут же найдут полезное
использование. Это преимущество особенно видно при сравнении с обычной атомной
энергетикой — на уране и плутонии. Ведь проблема удаления радиоактивных отходов —
ядерных осколков, образующихся в урановых и плутониевых реакторах, — с каждым годом
приобретает все большую остроту. Подсчитано, что если бы все энергетические потребности
такой страны, как США, удовлетворялись бы урановыми реакторами, то встала бы задача
удалять ежегодно такое же количество радиоактивного яда, какое образуется при взрыве 200
тысяч атомных бомб! А к началу XXI века ежегодно накапливающаяся масса его сделалась
бы эквивалентна той, что возникает при взрыве 8 миллионов атомных бомб.
Конечно, задача удаления радиоактивных отходов атомных электростанций не
относится к числу неразрешимых. Но она очень и очень трудна. В термоядерной же
энергетике этой проблемы нет.
ВОДА — ГОРЮЧЕЕ
Наши потомки не будут жечь дрова, торф, уголь, нефть. Неиссякаемое изобилие
энергии они получат от изотопов водорода. Первое время термоядерные электростанции
будут работать на смеси дейтерия с тритием. Литий — исходный материал для
приготовления сверхтяжелого водорода — становится, таким образом, важнейшим
энергетическим сырьем. И его немало в земной коре.
Однако нет сомнения, что физики будут стремиться осуществить управляемый
термоядерный процесс и без трития, хотя бы потому, что запасы лития не безграничны.
Зато тяжелого водорода у нас хоть отбавляй — в обыкновенной воде. И извлечь его
оттуда нетрудно. Вода при этом, кстати сказать, совсем не пострадает. Ведь на каждые 6000
атомов легкого водорода приходится всего один атом дейтерия. Даже сейчас дейтерий
получают в количествах, которые при термоядерном синтезе могли бы дать ежегодно
столько же энергии, сколько вырабатывает вся мировая энергетика.
Правда, термоядерный реактор на чистом тяжелом водороде будет более громоздким
(критический объем горючего и, следовательно, активная зона реактора будет довольно
велика). Поэтому на транспортных средствах — кораблях, самолетах, локомотивах —
дейтериевые термоядерные реакторы вряд ли найдут применение.
Зато термоядерные электростанции на тяжелом водороде наверняка займут
главенствующее положение в энергетике грядущих веков. Трудно привыкнуть к мысли, что
это будут электростанции, для работы которых понадобится только вода. Одна вода — и
больше ничего, причем в совершенно ничтожных количествах. Станции эти станут извлекать
из воды поистине сказочную силу.
В библии говорится, что некогда сын божий превратил несколько кувшинов воды в
вино. А ныне человек, дотронувшись до воды знанием, превращает ее в нечто куда более
ценное, чем вино. Ведь тяжелый водород, взятый из двух стаканов воды, даст в
термоядерном реакторе столько же тепла и электрического тока, сколько 200 литров
сожженного бензина!
Люди получают в свое распоряжение неистребимо огромную залежь топлива —
Мировой океан. И энергии в нем заключено столько же, сколько способно было бы дать
обычное сжигание пятисот мировых океанов бензина, таких же огромных, как водяные.
Воды в Мировом океане 1400 миллионов миллиардов тонн. В ней содержится 25 тысяч
миллиардов тонн дейтерия— примерно по 10 тысяч тонн на каждого человека.
И так как преобразование грамма дейтерия в гелий сопровождается освобождением 100
тысяч киловатт-часов энергии, то на долю любого члена человеческого общества тяжелая
вода океанов отводит миллион миллиардов киловатт-часов. Возьмите от этого количества
всего половину, допустив, что остальное будет трудно добыть, и вы получите на свою долю
столько энергии, сколько в наше время за пятнадцать лет (по нынешнему уровню)
вырабатывается на земном шаре всеми его электростанциями, всеми водяными, ветряными и
тепловыми двигателями, всеми домнами, печами и печурками, всеми паровозами,
тепловозами, автомобилями, тракторами, кораблями, всеми мускульными усилиями
лошадей, быков, слонов и других тягловых животных, наконец всей физической работой
человеческого населения нашей планеты. Пятнадцать лет энергетических усилий общества!
И все это на вашу долю!
Даже при тысячекратном увеличении потребления энергии дейтерия хватит
человечеству на многие миллионы лет.
Вот что такое промышленный ядерный синтез.
НАШЕ БУДУЩЕЕ
Окинем мысленным взором Землю завтрашнего дня, планету наших потомков.
На континентах и островах вырастут тысячи термоядерных электростанций. Связанные
высоковольтной системой, они будут работать в едином ритме, не боясь перегрузок и
аварий, вливая живительный сок энергии в каждый уголок Земли.
Невиданное развитие получат все отрасли промышленности. Любые химические
элементы люди, располагая изобилием энергии, будут вырабатывать из простой земли, из
камней, из песка. Для добычи полезных материалов не понадобится искать их богатых
месторождений.. Человек станет до предела использовать щедрые дары земных недр.
Невиданные материалы появятся в распоряжении людей.
Прогресс науки поможет создать из них умные машины и устройства, которые
полностью вытеснят физический труд и в индустрии и в сельском хозяйстве. Даже мелкие
работы наши потомки отдадут механизмам.
Тысячекратно умноженная трудовая сила создаст сказочное богатство товаров
народного потребления и продуктов питания. Сельскому хозяйству не будут уже страшны
капризы погоды. Орошенным полям не повредит никакая засуха, а осушенным болотам —
дожди.
Обилие энергии неузнаваемо изменит быт людей, еще выше поднимет их культуру.
Обогрев жилищ и заводов, охлаждение и увлажнение комнатного воздуха — все это возьмет
на себя электричество. Быть может, дело дойдет до отопления улиц, а то и целых городов.
По воздуху помчатся стремительные термоядерные самолеты. Воду океанов будут
бороздить гигантские термоядерные суда, которым никогда не нужно будет запасаться
углем, нефтью, ураном. К далеким планетам помчатся термоядерные космические корабли.
Уже сегодня инженеры задумываются над проектами этих не родившихся еще машин.
На Земле завтрашнего дня недолго просуществует слово «пустыня». Могучие
термоядерные насосы заставят опресненную морскую воду течь по просторам Сахары, Гоби,
Каракумов. И оживут мертвые пески, покроются веселыми нивами, зелеными садами и
парками.
Переменится и самый облик планеты.
Сколько замечательных проектов переустройства морских течений создал
изобретательный человеческий ум! Для осуществления их нужно только одно—энергия.
Можно не сомневаться, что, овладев звездной силой, человечество осуществит,
например, дерзновенную идею советских инженеров, создавших проект обогрева северного
и восточного побережий Советского Союза.
Сейчас холодные струи Северного Ледовитого океана устремляются к восточным
берегам нашей страны через узкий Берингов пролив, разделяющий материки Евразии и
Северной Америки. Этот пролив предложено перекрыть исполинской плотиной-мостом.
Тогда берега Камчатки и Приморья спасутся от дыхания северной стужи и обретут обычные
климатические условия своих широт. Ведь Камчатка и Британские острова одинаково
удалены от экватора, а Владивосток находится на широте Ниццы. Все дальневосточное
побережье станет краем чудесного мягкого климата.
Мало того: через плотину в Беринговом проливе предлагается перекачивать воду из
Тихого океана в Северный Ледовитый.
Термоядерные электростанции, размещенные в этой 85-километровой плотине и
питающиеся дейтерием воды, заставят работать гигантские насосы, которые создадут в
арктических льдах искусственную теплую реку. Она «отопит» северные районы страны,
оживит тундру, глухую тайгу.
И это только один из величественных проектов преобразования планеты.
Кто знает — может быть, долгими полярными ночами над просторами Заполярья,
согретыми дыханием теплых течений, засияют и мощнейшие электрические «фонари»,
питающиеся энергией термоядерных электростанций.
А какой неслыханный урожай полезных растений может дать нетронутая целина
морского дна, если осветить его сиянием гигантских фонарей и научиться возделывать как
пашню!
Прирученная человеком энергия солнечного синтеза отнимет у полярных и пустынных
районов Земли былую суровость. Все края ее — от полюса до полюса — станут для людей
приветливым домом. И еще шире разольется по планете торжествующий труд, в новые дали
устремятся мечты титана мысли и воли — человека.
1. ХОЛОДНОЕ СОЛНЦЕ
Обгоняя сказки. Предсказание. Подтверждение. Развенчанная сенсация.
2. ВЕЩЕСТВА-АНТИПОДЫ
Плюс—мину
. Запрещенный переход. Энергия, которая «скачет». Что такое
вакуум. Удар в пустоту. Молоток и наковальня. Дырка в незримом. Антивещество.
Вражда непримиримая. Физический остов природы . Сюрпризы Космоса. На звездах к
звездам. Царица мира .
1. ХОЛОДНОЕ СОЛНЦЕ
ОБГОНЯЯ СКАЗКУ
Герои старых сказок за одну ночь возводили дворцы, сажали сады, рыли пруды и озера.
Но не припомнится сказки, в которой какой-нибудь Иван-царевич сотворил бы красное
солнышко. Нет, даже помыслить об этом не смел человек, даже во сне такое не виделось.
Ничего подобного не представляли себе и писатели-фантасты последних десятилетий,
которым сказочники передали эстафету мечты.
Наука оказалась фантастичнее профессиональной фантастики!
Разумеется, после того как физика зажгла надежду на рукотворное солнце, литераторы
поспешили облечь ее в беллетристическую форму, одели ее в наряды интриг и приключений.
Фантазия пошла по следам науки.
А наука тем временем глядела дальше.
В будничных делах лабораторий, за письменным столом теоретиков родилась идея,
которую, пожалуй, законно назвать сверхфантастической. Прозвучали странные слова:
«холодный синтез», «холодное солнце».
Что это такое?
Промелькнула надежда без испепеляющего звездного жара — при низкой температуре
— возбудить процесс ядерного синтеза, вызвав мощное выделение атомной энергии в
водороде.
Представьте себе странный реактор — гигантскую цистерну, заполненную жидкой
смесью изотопов водорода. Водород сжижается при 252 градусах холода. Но, если смесь
находится под сверхвысоким давлением, она сохраняет свою плотность и при достаточно
высокой температуре— 100 и больше градусов тепла. Под действием ничтожных доз особых
частиц — катализаторов, вводимых в цистерну, эта смесь нагревается и годами,
десятилетиями создает великое обилие тепла. Оно идет на отопление городов, обогрев полей,
на получение электроэнергии. Чрезвычайно редко, раз в несколько лет, в цистерну
добавляется горючее — жидкий тяжелый водород. Его требуются ничтожные количества—
килограммы вместо пудов урана или сотен тысяч тонн угля. Весь процесс не имеет ничего
общего со взрывом, не развивается лавиной. Чуть больше частиц послано в цистерну — и
обильнее выход энергии; чуть меньше — мощность энерговыделения падает. Таким образом,
процесс мыслится доступным тончайшему регулированию и как бы самой природой
предназначен для мирных целей. Бесконечные потоки ласкового тепла, сотворенного из
водорода морей!
Слов нет, величественный замысел.
Но, как ни печально, он рухнул столь же быстро, как и возник.
Что же произошло в науке? Почему парадоксальное «холодное солнце» вдруг заняло
умы людей? Почему идея о нем стала достоянием истории?
ПРЕДСКАЗАНИЕ
Несколько лет назад советские исследователи, ныне академики, Я. Б. Зельдович и А. Д.
Сахаров независимо друг от друга задались целью теоретически выяснить: всегда ли для
объединения водородных ядер необходимы сверхвысокие температуры? Нет ли способа
синтезировать их на холоде, вне термоядерного процесса?
Результат теоретических изысканий вышел неожиданным и интересным: и в самом
деле, можно соединить ядра, не сталкивая их с разгона. Броню потенциального барьера
частицы способны преодолеть, если их как бы связать своеобразной «веревочкой». Роль
«веревочки» может сыграть одна из мельчайших материальных частиц — отрицательно
заряженный мю-мезон.
Если рядом с водородным атомом окажется отрицательно заряженный мю-мезон, он
способен встать в атом на место электрона и начать вращаться вокруг ядра. Но мю-мезон в
207 раз тяжелее электрона. Поэтому он вращается в те же 207 раз ближе к ядру, чем
электрон. Это значит, что мезон, поселившись в водородном атоме, как бы сжимает его и
превращает в совсем крошечную частичку, которая получила название мезопротона.
Мезопротон электрически нейтрален. На него не действует электрическое отталкивание
ядер. Благодаря этому, а также своим маленьким размерам он способен очень близко
подойти к ядрам атомов окружающей среды.
Допустим теперь, что этот крошечный мезопротон тихонько, без разгона, «вонзится» в
атом тяжелого водорода и приблизится к его ядру. Теория утверждает: когда произойдет
такое сближение, мю-мезон может начать вращаться сразу вокруг обоих ядер — дейтона и
протона. Между ними возникнут особые химические силы притяжения. Мю-мезон, будто
веревочная петля, стянет ядра. В результате они приблизятся друг к другу так же тесно, как и
при термоядерном процессе. И вскоре (в среднем через миллионную долю секунды) ядра
найдут «лазейку» в оставшемся слое потенциального барьера, просочатся через него и
сольются в одно более тяжелое ядро гелия-3. Тогда неизбежно должна выделиться энергия.
Как видим, никакой сверхвысокой температуры здесь уже не нужно. Ядра
синтезируются тихо, мирно, без всякого «принуждения».
Примерно такая картина возможного поведения мю-мезонов в жидком водороде была
нарисована смелой мыслью советских физиков-теоретиков. Против нее трудно было чтолибо возразить. Но как ее проверить экспериментом?
ПОДТВЕРЖДЕНИЕ
В наши дни физики-экспериментаторы усиленно трудятся над изучением мезонов, ибо
поведение таких частиц отражает тонкие особенности микромира. Мезоны создаются в
ускорителях при бомбардировке частицами-снарядами» разнообразных мишеней, а потом
направляются в регистрирующие приборы. Так удается исследовать взаимодействие мезонов
с веществом, измерять их электрический заряд, массу, определять магнитные свойства,
характер распада.
В 1956 году профессор Луис Альварец из Калифорнийского университета в США
поставил большую серию экспериментов по изучению мезонов. В качестве регистрирующего
прибора он использовал так называемую пузырьковую камеру. Там заряженные частицы
пролетали в жидком водороде, оставляя за собой дорожки мельчайших пузырьков. Эти
следы фотографировались, и снимки подвергались тщательному изучению.
Эксперимент Альвареца был сложный и тонкий. Для надежности исследователь сделал
колоссальное число снимков — 75 тысяч.
Ученый не ставил своей целью исследовать мю-мезоны. В его задачу входило изучение
других частиц. Но в ходе эксперимента внимание его сосредоточилось именно на мюмезонах.
Дело в том, что из двух с половиной тысяч фотографий остановок мю-мезонов в
веществе пузырьковой камеры 15 выглядели весьма странно.
Надо сказать, что мю-мезон живет очень недолго. Его век — всего две миллионные
доли секунды. «Умирая», он распадается на электрон и два нейтрино, причем картина
распада имеет на фотографии характерный вид: это «угол» или «сломанный» след.
Объясняется угол так: электрон, возникший из распавшегося мю-мезона, оставляет за собой
след, уходящий в сторону. Нейтроны же, улетающие в других направлениях, остаются
незаметными, ибо они не имеют электрического заряда и поэтому не могут создать дорожки
пузырьков в жидком водороде.
Итак, картина обычных остановок — мест, где распадается мю-мезон, — вполне ясна.
Но на 15 снимках остановки мю-мезонов отнюдь не напоминали их распад. След внезапно
пропадал неизвестно куда, чтобы потом через миллиметр вновь как бы вынырнуть «из
ничего». Выходило, что мю-мезон, пролетая в веществе, терял скорость и останавливался, не
распадаясь, а затем вновь начинал двигаться, непонятным образом обогатившись энергией. И
только в конце второго или даже третьего отрезка следа мю-мезон действительно
распадался.
Казалось бы, какая это мелочь! На одном снимке из ста пятидесяти след мю-мезона
выглядел чуть-чуть иначе, чем можно было ожидать. Но для физика-экспериментатора нет
мелочей.
Альварец и его сотрудники долго размышляли над необычным явлением. В конце
концов они пришли к выводу, что случайно встретились с фактом, который подтверждает
идею синтеза легких ядер при участии мю-мезонов.
В самом деле, если мы вспомним предсказание, Я. Б. Зельдовича и А. Д. Сахарова, то
легко объясним странные следы в опыте Альвареца.
Вот отрицательный мю-мезон оказался в пузырьковой камере. Он встречается с атомом
водорода и замещает там электрон. Возникший мезопротон движется некоторое время в
жидкости. И так как мезопротон электрически нейтрален, никакого следа в камере он не
дает. Становится понятным исчезновение следа. Затем, поблуждав в веществе, этот
«ядерный гибрид» натыкается на атом дейтерия (малая примесь дейтерия всегда имеется в
естественном водороде) и объединяется с ним. Далее происходит реакция‫ ־‬синтеза ядер,
причем выделившаяся энергия (5,4 миллиона электроновольт) передается мю-мезону.
Получив этот толчок, мю-мезон обретает свободу. Он продолжает свой путь в веществе,
отдавая ему энергию и опять оставляя за собой дорожку пузырьков. Снова появляется след.
Он тянется до встречи мезона с новым атомом водорода или до момента распада.
Как видим, непонятное явление нашло исчерпывающее объяснение. Возможность
синтеза легких ядер при низкой температуре была доказана. Теоретическое предвидение
советских ученых блестяще подтвердилось.
РАЗВЕНЧАННАЯ СЕНСАЦИЯ
Какой бы далекий от практики опыт ни ставил физик, какой бы отвлеченной,
абстрактной теорией ни занимался, он всегда участвует в решении общей задачи науки —
найти нечто новое для техники, для практической деятельности человека.
Эта тенденция ярко проявилась после открытия Альвареца. Физиков охватило
возбуждение. Непроверенные, неустоявшиеся идеи о практическом освоении нового
явления, об искусственном «холодном солнце» стали предметом взволнованных дискуссий.
За рубежом дело дошло даже до совершенно бредовых россказней о новых
ультрасверхбомбах, «поджоге» воды океана и т. д.
Но сенсация оказалась по меньшей мере преждевременной. Я. Б. Зельдович решительно
отверг скороспелые восторги. Заявил протест и Альварец. «Меня поставили,— сказал он, —
в положение юнца, который нашел грош и уже считает себя миллионером».
Ведь срок существования мю-мезона ничтожен. Много ли пар ядер может связать эта
«веревочка» за две миллионные доли секунды? Одну—две, не больше. К тому же далеко не
всем мезонам выпадает на долю послужить такими «свахами» ядер. Большинство остается
без дела и бесполезно распадается. Между тем на создание этих частиц в ускорителях
расходуется значительная энергия. Словом, приготовление мю-мезонов обходится в сотни
рублей, а энергии они дают на копейки. Кто же станет топить печи шоколадом?
Как показывают расчеты, никакими ухищрениями этого печального положения не
выправить. Холодный синтез на мю-мезонах можно наблюдать, изучать, использовать его в
исследовательских целях, но для техники он бесполезен.
Таковы были итоги первой серьезной проверки идей о промышленном синтезе ядер вне
термоядерных процессов.
Однако мечтатели не сдавались.
Ну и что же, говорили они, если мю-мезоны не годятся для создания «холодного
солнца», будем надеяться со временем осуществить его на каких-то других частицах,
живущих значительно дольше. Тот факт, что наука не знает таких частиц, не слишком
смущал мечтателей. Их ободряло отсутствие в современной физике законченной теории
элементарных частиц. Из-за этого сегодня никто не в состоянии доказать, что такие
долгоживущие частицы не могут быть когда-то открыты и созданы. А поскольку принцип
ядерного катализа утвержден, не запрещено думать и о новых катализаторах.
Однако глубокий анализ процесса заставил прийти к выводу, что примерно в десяти
случаях из ста гипотетическая долгоживущая частица-катализатор, связывающая ядра
изотопов водорода, не сможет оторваться от синтезированного ею ядра гелия. Прилипнув к
ядру, частица «лишится работы», так и не окупив затрат на свое изготовление. Долгий срок
ее жизни окажется попросту паразитическим.
Этот вывод, правда, еще предстоит проверить на опыте, но едва ли стоит сомневаться в
его правильности. Очевидно, мечте о холодном синтезе не суждено стать реальностью.
Что ж, унывать причин нет.
Ведь итоги открытия немалые. Оправдалось предсказание теории. На вооружение
экспериментальной физики поставлено новое явление. Всестороннюю проверку прошла еще
одна смелая идея.
Особенно важно то, что ученые убедились в правильности избранного направления в
проблеме промышленного синтеза легких атомных-ядер. Управляемый термоядерный
процесс — вот основная цель, и, несмотря на колоссальные трудности ее достижения, дорога
к ней самая прямая.
Надо сказать, что даже после падения идеи о холодном солнце остались еще
энтузиасты, верящие в ее чудесное воскрешение. Однако вряд ли их надежда сбудется. Как
ни фантазируй, а слово ученых остается последним, не подлежащим обжалованию
приговором.
Да и стоит ли жалеть об этом? В нашем мире каждый день открываются двери для
яркой, увлекательной, богатой мечты. Людям науки это известно больше, чем кому бы то ни
было. Недаром правдивая научная гипотеза иной раз поразительнее, изобретательнее самой
неуемной «свободной» фантазии.
В заключение книги мы и расскажем об одной из таких удивительных научных идей,
открывающей перед человеком в далеком будущем перспективу еще более фантастическую,
чем искусственное солнце — и «горячее» и «холодное».
2. ВЕЩЕСТВА-АНТИПОДЫ
ПЛЮС- МИНУС
Две крупнейшие победы одержала теоретическая физика в первой четверти нашего
века. Вы уже знаете, что первая из них — создание теории относительности, раскрывшей
своеобразные закономерности быстрых движений, а вторая—разработка квантовой
механики, учения о таинствах микрочастиц и микропроцессов.
Некоторое время новые разделы физического знания существовали разобщенно,
независимо друг от друга. Но сама жизнь требовала их объединения. Это было необходимо
хотя бы потому, что мельчайшие частицы часто движутся с колоссальными скоростями и
обмениваются большими порциями энергии. Стало быть, законы Эйнштейна играют в их
жизни немалую роль. Развитие физики микромира неизбежно вело к слиянию квантовой
механики с теорией относительности.
В конце 20-х годов за эту нелегкую задачу взялся молодой английский теоретик Поль
Дирак. И он добился успеха: сумел сформулировать уравнение, связавшее
квантовомеханические и релятивистские — налагаемые теорией относительности — условия
движения частиц. Так было положено начало новейшей области физического знания —
релятивистской квантовой теории.
Уравнение Дирака—коротенькая строчка мудреных математических символов — таило
в себе замечательные откровения. И как надежный конь вывозит к жилью заблудившегося в
лесу путника, так цепь математических выкладок привела Дирака к неожиданным выводам о
физической картине нашего мира. Чтобы хотя бы упрощенно уяснить логику этих выводов,
придется начать издалека, не избежав нескольких простеньких формул.
Все рассуждения, которые нам предстоит провести, покоятся на необычном
математическом соотношении, которое теория относительности выводит для энергии —
самой важной характеристики движения частиц.
Мы приводили уже последнюю формулу в главе «Свет и мир», рассказывая о
гигантских запасах энергии, скрытой в веществе.
Но мы тогда не отметили важной особенности эйнштейновского соотношения — того,
что энергия в нем выражена не существенно положительной величиной, как в классической
механике, а, как ни странно, квадратным корнем. И это совсем не мелочь.
Вы, несомненно, помните из школьных уроков алгебры, что любой квадратный корень
имеет перед собой два знака: плюс и минус (так, как и два положительных и два
отрицательных сомножителя дают положительное произведение).
Первый знак перед корнем — плюс — понятен. Всякое тело — будь то электрон, или
атом, или планета, или звезда — обладает энергией, большей нуля. Это логично и
естественно, это мы знаем из собственного опыта, из повседневной практики.
А второй знак— минус? Откуда он взялся?
Тут положение сложное.
ЗАПРЕЩЕННЫЙ ПЕРЕХОД
Отрицательная энергия для физических тел, казалось бы, невозможна. Наделенная ею
частица вела бы себя крайне нелепо: она обладала бы отрицательной массой. Ведь квадрат
скорости—всегда положительная величина.
Эта необыкновенная частица с отрицательной массой являла бы собой немыслимый
рекорд упрямства. После толчка вперед она двигалась бы... назад! Знаменитый
ньютоновский закон о пропорциональности силы и ускорения приобрел бы для нее обратный
смысл.
Выстрел из лука стрелой, наделенной отрицательной энергией, был бы равносилен
самоубийству: стрела вонзилась бы в стрелка.
Впрочем, реальность тел с отрицательной энергией вызывает сомнение не только
потому, что трудно постичь парадоксы их поведения. Недоумение усугубляется здесь еще
более важными соображениями.
Вот летит электрон. Замедлим его полет — энергия движения снизится. Остановим
частицу — энергия движения исчезнет, но останется запас энергии, связанный с массой
покоя. По Эйнштейну, этот запас, как вы помните, равен тос2 ,что для электрона
составляет значительную величину — 508 тысяч электроновольт.
Можно ли дальше уменьшать энергию электрона? Можно, но очень незначительно.
Поместив неподвижную частицу в сильное электрическое поле положительного заряда, мы
заставим электрон отдать малую долю энергии на связь с полем. Масса электрона и запас в
нем энергии станут чуть-чуть меньше. Но на этом наши возможности как будто
исчерпываются. Ни классическая физика, ни теория относительности не позволяют довести
энергию электрона до «настоящего» эйнштейновского нуля и тем более до значений еще
меньших, чем нуль. Никаких способов перехода в парадоксальную область отрицательных
энергий они не знают,
Значит ли это, что подобный переход вообще невозможен?
ЭНЕРГИЯ, КОТОРАЯ ‫״‬СКАЧЕТ“
Дирак твердо верил в правильность теории относительности. Он не допускал и тени
недоверия к математическому аппарату, который привел к таким парадоксальным
заключениям. Почему же тогда и :классика и та же теория относительности категорически
запретили переход через нуль энергии? Почему они закрыли этот путь непроходимой
стеной? Ведь из наложенного запрета следовало, что отрицательные энергии хоть и
мыслимы теоретически, но на практике недостижимы.
И ученый доказал, что подобный вывод ошибочен: представление о непроходимости
запретной зоны составилось без учета квантовомеханических особенностей микропроцессов.
Как вы помните, квантовая механика — мастерица преодолевать непреодолимое. И,
войдя составной частью в теорию Дирака, она сделала возможным то, что без нее выглядело
недопустимым.
Чтобы лучше пояснить это, привлечем на помощь несложный чертеж и — да простит
нам терпеливый читатель! — поведем разговор в чуть-чуть более серьезном тоне.
В чем сущность «непреодолимости» этой «стены»? В том, что классическая и
релятивистская теории требуют ее непрерывного прохождения. Вся стена должна быть
преодолена точка за точкой насквозь, без всяких скачков, ибо специфика этих теорий
приписывает природным процессам строгую непрерывность, нетерпимость к
скачкообразным переменам состояния объектов. Именно поэтому классическая частица,
пытающаяся проникнуть через запретную полосу к отрицательным энергиям, обязана
сначала остановиться, а затем уменьшать свою энергию с помощью каких-то
неправдоподобно могучих силовых полей. Но столь сильных полей в природе нет.
Следовательно, у классических тел нет возможности непрерывно снижать свою энергию
даже до нуля, не говоря уже о дальнейшем переходе в отрицательную область.
Иное дело в квантовой механике. На смену непрерывности она ставит прерывистость
изменения состояния частиц. Через «непреодолимую» стену открывается возможность как
бы перескочить «на ходу», без остановки, минуя запретные промежуточные состояния, где
частица должна была бы находиться в поле несуществующих сверхъестественно огромных
сил. Характер такого «перескока» чем-то напоминает квантовые «чудеса» «лыжниковкудесников», которые, как вы помните из главы «Право сиять», прекрасно «просачивались
через горы».
Итак, в стене между положительными и отрицательными энергиями квантовая
механика прорубила широкие ворота.
ЧТО ТАКОЕ ВАКУУМ
Читателю, вероятно, памятна важнейшая физическая причина, вызывающая к жизни
природные процессы: стремление систем тел к устойчивости, к состояниям с наименьшей
потенциальной энергией. В конечном итоге именно из-за этого возгораются звезды, светит
Солнце, падает на Землю камень. Но если в классической физике нижний предел энергии
представлялся нулем, то в теории Дирака он опустился в бездонную пропасть отрицательных
величин. А раз так, то получалась нелепость: стремясь к устойчивости и опускаясь поэтому
сколь угодно далеко вниз по энергетической диаграмме (через «люк», проделанный
квантовой механикой), электрон обретал способность выделять бесконечно большое
количество энергии, неведомо откуда взявшейся. Да и вообще при разрешенных
отрицательных энергетических состояниях электрон не смог бы пребывать в состояниях с
положительной энергией. Стремление к устойчивости заставило бы его, по квантовым
законам, «упасть» вниз — в отрицательную область.
Но тогда встает законный вопрос: почему же электроны окружающего нас вещества не
«проваливаются» в эти «тартарары» релятивистской квантовой теории? Ведь все мы, все, что
нас окружает, построено из частиц, среди которых есть электроны только положительных
энергий!
Дирак ответил на это недоумение весьма остроумным, но рекордно фантастическим
предположением.
Мир устроен так, заявил ученый, что все отрицательные энергетические уровни уже
заполнены электронами.
Все пространство Вселенной битком набито ими. Электронам положительных энергий
попросту некуда «провалиться». Они представляют собой как бы «непровалившийся
остаток», которому «не хватило места».
Трудно заставить себя согласиться с такой идеей. Никогда нигде не обнаруживались
«провалившиеся» электроны, энергия которых меньше, чем нуль. А ведь их, по Дираку,
неизмеримо больше, чем обычных электронов положительных энергий — земных,
солнечных, звездных.
Где же эти странные частицы, которыми Вселенная должна быть буквально
утрамбована? Почему они незаметны?
Дираку оставалось допустить, что электроны отрицательных энергий... ненаблюдаемы!
Бесчисленное их количество ощущается нами, как пустота, как вакуум, как место, в котором
ничего нет!
Подумайте только! Пустяковая, казалось бы, вещь: немудрящий квадратный корень,
лишний знак перед математическим выражением энергии небывало усложнили, перевернули
вверх дном ясные, привычные, веками устоявшиеся представления о том, что кажется проще
всего на свете, — о пустоте!
УДАР В ПУСТОТУ
Как бы оригинальна и интересна ни была научная идея, никто из специалистов не
отнесется к ней серьезно, если она не укажет путей собственной экспериментальной
проверки, не предскажет открытия неведомых прежде фактов. Чем же Дирак предполагал
обосновать свои смелые мысли?
Прежде всего он отметил, что ненаблюдаемый физический объект — не такая уж
необыкновенная вещь.
Возьмите к примеру обычный атом. Ведь и там электроны не наблюдаются
непосредственно (без вмешательства извне). Нет ни одного эксперимента, который прямо
отметил бы движение их внутри электронных оболочек» не нарушая этого движения. Но мы
твердо убеждены в существовании этих невидимых частиц, ибо свое присутствие они
проявляют, например, при перескоках с одной орбиты на другую, при изменениях
энергетического состояния. В этих случаях электроны атома создают электромагнитное
излучение. Вообще без передачи и преобразований энергии немыслимы никакие процессы,
опыты, наблюдения. А отсюда вывод: чтобы хотя бы косвенно обнаружить материальную
структуру пустоты, надо попытаться каким-то способом изменить в ней энергетическое
состояние ненаблюдаемых частиц.
Естественным логическим развитием этих соображений была идея проверки
релятивистской квантовой механики путем «удара в пустоту».
Поскольку всюду вокруг нас и в нас самих — бесчисленное множество совершенно
неощутимых электронов отрицательных энергий, то имеет смысл попробовать какой-либо из
них так сильно обогатить энергией, чтобы он перескочил с ненаблюдаемого отрицательного
энергетического уровня на обычный—положительный. Видимо, для этого ему придется
сообщить энергию больше, чем полная ширина запретной зоны, то есть больше миллиона
электроновольт. Только тогда он перепрыгнет запрещенные состояния «единым махом», как
и разрешает квантовая механика. Если теория верна, то таким способом мы совершили бы
потрясающий фокус — извлекли бы из вакуума материальную частицу!
Словом, теория Дирака дала вполне конкретное задание физикам-экспериментаторам: с
огромной силой ударить по пустоте и... выбить из нее крупиночку вещества!
Неясно было только, чем ударять, каков должен быть этот необыкновенный «молоток»,
как заставить частицы отрицательных энергий воспринять на себя его удар.
Позднее эти вопросы нашли решение.
МОЛОТОК И НАКОВАЛЬНЯ
Обязанности «молотка», бьющего по пустоте, может выполнить достаточно
энергичный фотон — «пуля» света, носитель всепроникающей электромагнитной энергии, А
чтобы толчок был воспринят и фотон поглощен, пустоту следует предварительно «положить
на наковальню», роль которой способно сыграть какое-нибудь атомное ядро.
Зачем нужна эта «наковальня»?
Молоток-фотон несется в равномерном «киселе» пустоты, заполненной неощутимыми
частицами. И фотону не обо что опереться, стукнуться, чтобы передать им энергию. А
атомное ядро, попавшееся на пути фотона, воспринимает на себя его импульс. Фотон
стукается о поле ядра, словно молот о наковальню, и обретает способность обогатить своей
энергией ненаблюдаемый электрон.
Если энергия фотона больше миллиона электроновольт, он, ударив по пустоте,
способен так сильно толкнуть ненаблюдаемый электрон вакуума» что тот, совершив, по
квантовым законам, «прыжок», превратится в обыкновенный наблюдаемый электрон нашего
мира.
А что останется в вакууме?
Там останется освобожденное электроном состояние. Останется дырка! Дырка в
пустоте!
ДЫРКА В НЕЗРИМОМ
Что такое, собственно говоря, дырка?
Отсутствие в чем-то этого самого чего-то.
Дырка в головке сыра — отсутствие сыра в сыре.
А дырка в пустоте? Видимо, это отсутствие в пустоте... пустоты! Дырка в пустоте
означает нечто, не являющееся пустотой. Что же именно?
Освободившееся состояние в дираковском фоне электронов отрицательных энергий
есть состояние с положительной энергией (отсутствие недостатка есть избыток). Значит,
дырка, «просверленная» в вакууме, будет наблюдаема.
Отсутствие отрицательного заряда в ней проявится как наличие положительного
заряда. Отсутствие отрицательной массы — как положительная масса.
Другими словами, дырка представит собой материальную частицу, во всем подобную
обычному электрону нашего мира, но заряженную положительно.
Теперь мы можем полностью сформулировать предположение о последствиях удара
сильным фотоном по вакууму вблизи атомного ядра: из вакуума должны вылететь сразу две
материальные частицы — положительный и отрицательный электроны.
И опыт подтвердил это необычайное предвидение.
В 1932 году американский физик К. Андерсон исследовал космические лучи —частицы
высоких энергий, которые мчатся к нам на Землю из глубин Вселенной. Работа велась по
методу, предложенному известным советским ученым Д. В. Скобельцыным. Камера
Вильсона (прибор, в котором протоны и электроны, пролетая, оставляли за собой тонкие
следы тумана) была поставлена между полюсами сильного электромагнита. Под влиянием
магнитного поля пути частиц в камере искривлялись в разные стороны, в зависимости от
знака заряда. И по кривизне, толщине, длине этих туманных линий следопыты-физики могли
всесторонне изучить пролетевшие частицы.
В один прекрасный день, просматривая очередную партию фотоснимков следов,
Андерсон обратил внимание на необычную картину. Два следа, соответствующих по
толщине электронным, выходили из одной точки и загибались в разные стороны.
Получалось, что частицы несли на себе разные по знаку, но одинаковые по величине
электрические заряды.
Вскоре репродукция странной фотографии попала на страницы научных журналов. За
несколько недель она обошла весь мир, не на шутку взволновав физиков. И волнение было
понятно. Проверив множество объяснений, ученые согласились на одном: снимок
зафиксировал предсказанное теорией Дирака рождение пары частиц. Свет превратился в
вещество. Фотон космических лучей выбил из пустоты пару частиц — обыкновенный
отрицательный электрон и необыкновенный, предугаданный теорией электрон с
положительным электрическим зарядом.
Эта новая частица получила имя позитрона. С ним мы встречались уже не раз — при
обсуждении термоядерных реакций на естественном и искусственном солнце.
Дерзкая фантазия тончайшей физической теории праздновала торжество.
АНТИВЕЩЕСТВО
Рассуждения, которые мы вели лишь в применении к электронам (как это делал сам
Дирак в начале своего творческого пути), справедливы также для других частиц— протонов,
нейтронов, для всех «кирпичиков» атома. Различие заключается только в ширине запретной
полосы на диаграмме энергий между: —т0с2 и +т0с2 , ибо массы: у разных частиц
неодинаковы. Например, протон почти в 2000 раз тяжелее электрона. Поэтому для
выбивания дырки в ненаблюдаемом фоне протонов отрицательных энергий потребовалась
бы энергия по крайней мере в 2000 раз большая, чем при выбивании дырки в электронном
фоне. Здесь уже требуется не миллион, а несколько миллиардов электроновольт.
Короче говоря, по воззрениям, вытекающим из представлений Дирака, пространство
Вселенной есть целая совокупность вложенных друг в друга неощутимых океанов разных
частиц отрицательных энергий. Космическую пустоту, если хотите, можно считать и одним
сплошным океаном отрицательных энергетических состояний, из которого удается выбивать
неодинаковые (но вполне определенные) частицы и дырки.
Здесь стоит отметить, что выбить из вакуума возможно не все известные физике
элементарные частицы, а лишь те из них, что занимают в пустоте, так сказать, плацкартные
места. Пребывая в том или ином состоянии, они больше никого не пускают на свою «полку».
Потому-то состояние и остается пустым, как только «пассажир» покидает его. Физики
называют такие частицы фермионами — по фамилии ученого, изучавшего их особенности
(Ферми). Сам принцип плапкартности косит название принципа Паули (по имени физика,
сформулировавшего его на научном языке).
Вместе с тем в природе существуют частицы, не подчиняющиеся принципу Паули. Это
бозоны (от имени их исследователя Бозе). Они «пассажиры-бесплацкартники». В каждое
состояние их вмещается сколько угодно. Понятно, что бозоны, к которым относятся фотоны,
так называемые пи-мезоны и некоторые другие частицы, не способны к парному рождению.
Но зато они могут служить великолепными «молотками» для ударов по вакууму.
В 1955 году американским физикам Сегре, Чемберлену, Виганду и Ипсилантису с
помощью мощного ускорителя удалось обрушить на пустоту столь сильные удары, что из
нее начали выпрыгивать протоны, сопровождаемые массивными дырками — антипротонами.
«Молотками» служили пи-мезоны, которые возникали при резком торможении протонов,
разогнанных до энергии в миллиарды электроновольт.
Вслед за тем на том же ускорителе были получены пары «нейтрон-антинейтрон»9.
Как видите, в настоящее время любой частице, составляющей атом, отвечает своя
дырка в пустоте — своя античастица. Поэтому, вообще говоря, мыслимо представить себе
9 Нейтрон—частица нейтральная, электрического заряда у нее нет, и отличие ее от антинейтрона
проявляется в магнитных свойствах.
атом, ядро которого построено из антипротонов и антинейтронов, а электронная оболочка —
из позитронов. Это антиатом. А если вместе собраны неисчислимые мириады таких
антиатомов? Они образуют вещество, составленное из дырок, — то, что принято называть
антивеществом.
ВРАЖДА НЕПРИМИРИМАЯ
Атомы и антиатомы имеют вполне тождественное строение. Свет, рентгеновские лучи,
радиоволны они излучают и поглощают совершенно одинаково. По этой причине издалека,
через пустое пространство, мы никакими способами не сумели бы отличить вещества от
антивеществ. Те и другие строго равноправны. И равноправие это вытекает из самых основ
теории, из равноправия плюса и минуса перед квадратным корнем в релятивистском
выражении энергии.
В результате принципиально невозможно доказать, что мы с вами состоим из атомов, а
не из антиатомов. Сказать, что частицы нашей природы не являются дырками в пустоте,
нельзя, как нельзя утверждать, что, например, у мыши хвост находится слева от туловища.
Дело лишь в точке зрения, в условии рассуждений, Ведь сами понятия дырок и частиц
относительны.
Позитрон, к примеру, можно считать частицей, а электрон — дыркой в ненаблюдаемом
фоне позитронов. И никакими опытами невозможно определить, из чего «состоит» пустота
— из электронов или из позитронов. Мы согласились называть себя состоящими из вещества
и считать пустоту океаном протонов, нейтронов, электронов— вещественных частиц,
энергия которых меньше, чем нуль. Согласились, только и всего. Дальнейшие домыслы были
бы попросту незаконны. Не мудрено поэтому, что равноправие вещества и антивещества
проявляется буквально в каждом свойстве.
И вот, несмотря на это абсолютное «юридическое» равенство, оба эти вида весомой
материи — непримиримые враги. Они не терпят присутствия друг друга, как порох не
выносит факела. Что это значит?
Представьте себе, что из антивещества построена какая-то далекая планета, и
космический корабль, стартовавший с Земли, мчит к ней на всех парах. Вот он приблизился
к цели, сейчас прикоснется к чужой почве... Что произойдет при таком прикосновении?
Гигантский, невообразимо мощный взрыв — более сильный, чем взрыв тысяч водородных
бомб. Дотронувшись до роковой планеты, космический корабль мгновенно исчезнет,
целиком превратится в излучение.
В чем причины катастрофы?
Каждый протон, каждый нейтрон, каждый электрон, из которых состоят атомы
корабля, при соприкосновении с антипротонами, антинейтронами и позитронами планеты
сделают то же, что бильярдные шары, подкатившиеся к лузам. Частицы провалятся в
античастицы — эти дырки в пустоте. Весь корабль низвергнется в незримую пучину
небытия, в вакуум, увлекая с собой равное по массе количество материала чужой планеты и
вызван неимоверную световую вспышку.
На языке науки этот процесс носит название аннигиляции10. Вещество и антивещество
взаимно поглощают друг друга, освобождая дотоле скрытую в них энергию. Причем
выделение ее происходит в точном соответствии с эйнштейновской формулой Е = тс2 .
В лабораторных условиях микроскопические копии подобных катастроф наблюдались
и воспроизводились многократно. Физики каждый день видят, как превращаются в свет
10 Ради большей строгости заметим, что полное превращение вещества и антивещества в свет
произойдет лишь, если частицы столкнутся с собственными античастицами: протоны с антипротонами,
нейтроны с антинейтронами и т. д. Если же антипротон столкнется, скажем, с нейтроном, то полного
превращения вещества в свет не будет. Продуктами реакции окажутся электроны и нейтрино.
позитрон и столкнувшийся с ним электрон. Неизбежно аннигилируют, преобразуясь в
невидимый свет, антипротоны с протонами, антинейтроны с нейтронами. Словом,
предсказания Дирака получили в наши дни полное подтверждение.
ФИЗИЧЕСКИЙ ОСТОВ ПРИРОДЫ
Бегло и вкратце мы проиллюстрировали кое-какие выводы из научных воззрений
основоположника релятивистской квантовой теории. Конечно, многое осталось вне нашего
поля зрения. Слишком уж трудно изложить эти вопросы достаточно популярно. Но,
пожалуй, мы вправе задать вопрос: в какой мере описанные воззрения все-таки
соответствуют истине, подлинной природе вещей? Нельзя ли как-нибудь иначе истолковать
рождение и аннигиляцию пар? Ведь, честно говоря, чересчур парадоксальными выглядят все
эти частицы отрицательной энергии, незримые океаны сплошной материи вместо вакуума.
Очень трудно спорить с Дираком.
Пока не нашлось ни одного факта, противоречащего его взглядам. Наоборот, в
последние годы найдено еще одно веское подтверждение им. Тонкими и сложными опытами
удалось доказать, что пустота подвержена действию электрического поля, изменяет свое
состояние вблизи электрически заряженных тел. Вакуум способен электризоваться, что
свидетельствует о его материальной структуре.
И тем не менее сегодня физики считают, что картина природы, нарисованная
английским ученым, — не единственно возможная.
Сила дираковских представлений в том, что они предсказали новые факты. Но теперь,
задним числом, эти факты удается истолковать и по-иному. Разработана, к примеру, теория,
обходящаяся без отрицательных энергий. Но зато в ней появляется... отрицательное время.
Электрон, движущийся «против времени», оказывается позитроном — словно на киноэкране,
когда кинопленка со съемкой поведения электрона пущена наоборот— с конца к началу.
Попробуйте-ка уяснить себе это! Приходит на ум пословица: «хрен редьки не слаще».
Движение в отрицательном направлении времени не уступает по парадоксальности
отрицательным энергиям. Между тем математический аппарат новой теории в ряде случаев
удобнее, чем дираковский, и им охотно пользуются физики-теоретики.
Надо сказать, что в современной теоретической физике иной раз весьма трудно
представить себе, какой именно конкретный процесс кроется за лесом математических
абстракций. Модель явления построить порой нелегко, но для развития науки это
совершенно необходимо. Недаром Эйнштейн частенько говаривал: «Ни один ученый не
мыслит формулами». Вот почему развитие дираковской модели мира следует расценивать
как крупнейший успех науки.
Разумеется, модель Дирака не претендует на исчерпывающее объяснение физического
«остова» природы, а дает лишь общие, грубые очертания, оставляя нетронутыми
бесчисленные детали.
Наконец, нельзя не отметить, что и в дираковской системе взглядов есть некоторые
противоречия, сложные нерешенные проблемы. Быть может, освободит науку от них и
какая-то иная более близкая к истине физическая картина мира.
Так или иначе, но задача истолкования сущности вакуума, за решение которой первым
взялся Дирак, одна из основных в физике наших дней. И прав был этот ученый, иронически
заметив на одной из своих лекций: «Если вы не можете правильно описать пустоту, как вы
можете описать что-либо более сложное!»
Неисчерпаема природа. Диковинные законы управляют ее глубинными явлениями. Но
наука уверенно зондирует ее тайны. Человеческий разум постигает то, что новичку кажется
непостижимым. Давно прошли времена, когда физики уподобляли атомы крохотным
бильярдным шарикам и считали пустоту пустой. Нет, с обыденными мерками и привычками
не подойдешь к объяснению недр материи. Пытаться делать это — все равно, что чинить
часы кувалдой. Тончайшие эксперименты, виртуознейшая логика теоретических выводов
пришли на смену старым примитивным суждениям человека о мире.
И, как всегда, дальняя цель непрекращающегося похода за знание — выход в практику, в технику, стремление людей к овладению неисчислимыми богатствами, которыми
одарила их природа.
Антивещество и в этом направлении дает пищу для небезынтересных раздумий.
СЮРПРИЗЫ КОСМОСА
А ведь и в самом деле человек когда-нибудь помчится к звездам. Если сегодня летает
вокруг Солнца искусственная планета, если завтра люди высадятся на Луне, а послезавтра на
Марсе, то потом, глядишь, снарядится путешествие и куда-нибудь подальше. Так не грозит
ли грядущим покорителям Космоса взрыв ракеты на вдруг встретившейся им
«антипланете»?
Эта угроза маловероятна.
Едва ли в наблюдаемом нами огромном участке Вселенной найдется антивещество. Во
всяком случае, никаких чудовищных взрывов, не объяснимых обычными термоядерными
процессами, ни разу не было зарегистрировано. Видимо, наша Галактика и другие подобные
звездные системы связаны единством эволюции, и все, что могло «провалиться в пустоту»,
уже когда-то провалилось, внеся свою лепту в баланс мировой энергии. Однако кое-кто из
ученых считает, что наверняка отрицать существование антимиров в безграничных
просторах Космоса было бы неправильно. Кто знает, говорят они, может быть, где-то за
тридевять галактик, на неведомой антипланете обитают даже какие-нибудь «антилюди»!
Пожав руку жителю Земли, такой античеловек вместе с гостем мгновенно превратился бы в
свет. Неприятная перспектива! И кто знает, возможно, будущие космонавт ты, достигнув
далекого мира и опасаясь, не антивещество ли перед ними, станут проверять это
предположение, бросая на планету кусочки какого-нибудь земного материала. Нет
взрывов—можно спокойно высаживаться.
Впрочем, сегодня подавляющая масса физиков отвергает существование антимиров.
НА ЗВЕЗДАХ К ЗВЕЗДАМ
Итак, антивещества — самого концентрированного из мыслимых источников
энергии—видимо, нет даже в Космосе; во всяком случае, недалеко от Земли. Его невозможно
добыть так, как мы добываем уголь, нефть, уран.
Ну, а если вырабатывать антивещество, построив для этой цели гигантские ускорители?
Сразу отметим, что подобное производство потребовало бы больше энергии (во всяком
случае, не меньше), чем затем выделялось бы при аннигиляции. Ведь, по Дираку, нельзя
создать только антивещество. Его возможно получить лишь вместе с равным количеством
вещества. Значит, энергетическим источником искусственно приготовленное антивещество
служить не может. Допустимо говорить лишь о применении его для концентрации энергии,
для того, чтобы огромные энергетические запасы вмещать в микроскопические объемы.
Это было бы, конечно, весьма заманчиво: антивещество послужило бы самым емким
аккумулятором энергии. Однако и об искусственном приготовлении антивещества нам
дозволено лишь фантазировать.
Если использовать наиболее мощный в мире ускоритель— тот, что работает у нас в
стране, в Объединенном институте ядерных исследований, — то и на нем создание только
одного грамма антивещества заняло бы сто миллионов миллиардов лет! И в наши дни не
видно никаких путей заметного сокращения этих долгих сроков.
Допустим все-таки, что наши правнуки научатся быстро и в большом количестве
пробивать дырки в пустоте. Будет ли решена проблема? Нет. Встанет другая труднейшая
задача — хранение антивещества. Оно ведь не терпит соприкосновения ни с чем земным. Ни
на какую «полку» его не положишь, ни в какую бутылку не нальешь. Спасение от
аннигиляции возможно лишь в идеальном, недостижимом сегодня разрежении.
Фантазерам рисуется абсолютно освобожденная от ничтожнейших признаков газа
полость, где на прочном магнитном ложе покоится антиплазма.
Можно попробовать микроскопическими порциями вводить в такую полость
разреженный газ. Он станет аннигилировать на антивеществе, создавая могучий поток
фотонов. Правда, освобожденные фотоны мгновенно расплавят и испарят нашу установку.
И, пожалуй, никакими способами не сохранишь ее целой.
Да, вся эта затея сегодня кажется сплошным вымыслом.
Мы не знаем, как остановить античастицы, с бешеными скоростями несущиеся в
ускорителе, как вводить их в вакуумную полость. Дальнейшие рассуждения на эту тему
были бы плодами совершенно голой, ни на чем не основанной фантазии.
И все же жалко оставлять надежду на полезную службу антивещества.
Не зная, как сотворить и удержать этот гипотетический вид весомой материи, все же
люди пытаются придумывать проекты его использования. Ведь, в конце концов, трудности
здесь хоть и огромные, но принципиально не непреодолимые. Не может быть, чтобы они не
были побеждены, пусть даже тысячелетия спустя. И надо сказать, что в подобных проектах
от писателей-фантастов не отстают даже профессиональные ученые.
Много шуму наделала, например, идея так называемой фотонной ракеты, которую
предложил немецкий исследователь Зенгер. Она чрезвычайно проста. В фокус
параболического зеркала, сделанного из материала неведомой ныне тугоплавкости, с одной
стороны направляются античастицы, а с другой стороны — частицы. Вещество
проваливается в дырки. Излучается громадный световой поток, который давит на зеркало и
толкает всю ракету вперед. Расчеты показывают, что таким способом корабль можно
разогнать до колоссальных скоростей, приближающихся к самой скорости света! Ракета
покрывает гигантские расстояния, доставляет людей к звездам, возвращает космонавтов на
Землю!
Хочется верить, что обуздание антивещества будет высшим успехом в вековой борьбе
человека за энергию. Хочется верить, что вместе с искусственными солнцами—
электростанциями, вместе с термоядерными кораблями и самолетами человек-творец когдато будет владеть фотонными ракетами и такими «концентратами» энергии, которых мы
сейчас даже представить себе не можем.
ЦАРИЦА МИРА
Как просто это началось...
Физик пристально вгляделся в окружающий мир, сопоставил обычные, повседневные
события, описал их на языке математики. Мало-помалу он научился предсказывать новые
явления, выдумывать и ставить опыты — сначала примитивные, потом все более сложные и
тонкие.
Незаметно, по крохам накапливалось точное физическое знание, росло и значение его в
практике.
Преодолевая предрассудки в собственном разуме, силясь постичь непривычное и
парадоксальное, ученый упорно пробивался вперед и мечтал, фантазировал, пробовал,
испытывал...
И вдруг произошел скачок, резкий перелом.
«Чистая» наука властно вошла в наш труд, в нашу индустрию, в наш быт.
Кратчайший исторический срок, каких-нибудь несколько десятилетий, понадобился
людям для подготовки величайшего из промышленных переворотов — атомноэнергетического. Ныне эта техническая революция началась.
Скрытая от взора, запрятанная в сокровенные тайники недр вещества, энергия уже
раскована усилиями научного знания. Она отдает себя в нашу власть не жалкими крупицами,
как в недавнем прошлом, а могучей, всепобеждающей лавиной.
Сказочная солнечная сила спущена на Землю. Непокорный поток ее, употребленный
поначалу во имя зла, во имя войны, теперь волею человека пробивает себе мирное русло.
Открывается дорога обузданию энергетических процессов, которые оказались не по
плечу даже самой природе.
В начале нашего века один ученый назвал энергию громким именем царицы мира. Но
монархия терпит крах. Сегодня человек отнимает корону у беспредельной властительницы
Вселенной, идет к полному покорению ее величества. Радостные победы ждут нас на этом
трудном и далеком пути — пути в будущее.
Анфилов Глеб Борисович
ИСКУССТВЕННОЕ СОЛНЦЕ
Ответственный редактор В. С . Мальт.
Художественный редактор М. Д. Суховцееа.
Технический редактор С. К. Пушкова.
Корректоры В. Л. Данилова и 3. С. Ульянова.
***
Сдано в набор 3/Х 1958 г. Подписано к печати 24/П 1959 г. Формат 84Х1081/32 —
15 печ. л. = 12,32 уел. печ. л. (11,41 уч.-изд. л.). Тираж 100 000 экз. А02030. Цена 4 р. 45 к.
Детгиз. Москва, М. Черкасский пер., 1.
*****
Фабрика детской книги Детгиза. Москва, Сущевский вал, 49. Заказ № 1059.